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尽管LDD3中说对多数程序员掌握设备驱动模型不是必要的，但对于嵌入式Linux的底层程序员而言，对设备驱动模型的学习非常重要。
Linux设备模型的目的：为内核建立一个统一的设备模型，从而又一个对系统结构的一般性抽象描述。换句话说，Linux设备模型提取了设备操作的共同属性，进行抽象，并将这部分共同的属性在内核中实现，而为需要新添加设备或驱动提供一般性的统一接口，这使得驱动程序的开发变得更简单了，而程序员只需要去学习接口就行了。
在正式进入设备驱动模型的学习之前，有必要把documentation/filesystems/sysfs.txt读一遍（不能偷懒）。sysfs.txt主要描述/sys目录的创建及其属性，sys目录描述了设备驱动模型的层次关系，我们可以简略看一下/sys目录，
block：所有块设备
devices：系统所有设备（块设备特殊），对应struct device的层次结构
bus：系统中所有总线类型（指总线类型而不是总线设备，总线设备在devices下），bus的每个子目录都包含
--devices：包含到devices目录中设备的软链接
--drivers：与bus类型匹配的驱动程序
class：系统中设备类型（如声卡、网卡、显卡等）
fs：一些文件系统，具体可参考filesystems /fuse.txt中例子
dev：包含2个子目录
--char：字符设备链接，链接到devices目录，以:命名
--block：块设备链接
Linux设备模型学习分为：Linux设备底层模型，描述设备的底层层次实现（kobject）；Linux上层容器，包括总线类型（bus_type）、设备（device）和驱动（device_driver）。
====??Linux设备底层模型 ====
谨记：像上面看到的一样，设备模型是层次的结构，层次的每一个节点都是通过kobject实现的。在文件上则体现在sysfs文件系统。
kobject结构
内核中存在struct kobject数据结构，每个加载到系统中的kobject都唯一对应/sys或者子目录中的一个文件夹。可以这样说，许多kobject结构就构成设备模型的层次结构。每个kobject对应一个或多个struct attribute描述属性的结构。
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struct kobject?{
const?char?*name;?/*?对应sysfs的目录名?*/
struct list_head entry;?/*?kobjetct双向链表?*/
struct kobject?*parent;?/*?指向kset中的kobject，相当于指向父目录?*/
struct kset?*kset;?/*指向所属的kset?*/
struct kobj_type?*ktype;?/*负责对kobject结构跟踪*/
struct sysfs_dirent?*sd;
struct kref kref;?/*kobject引用计数*/
unsigned?int?state_initialized:1;
unsigned?int?state_in_sysfs:1;
unsigned?int?state_add_uevent_sent:1;
unsigned?int?state_remove_uevent_sent:1;
unsigned?int?uevent_suppress:1;
};
kobject结构是组成设备模型的基本结构，最初kobject设计只用来跟踪模块引用计数，现已增加支持，
——?sysfs表述：在sysfs中的每个对象都有对应的kobject
—— 数据结构关联：通过链接将不同的层次数据关联
—— 热插拔事件处理：kobject子系统将产生的热插拔事件通知用户空间
kobject一般不单独使用，而是嵌入到上层结构（比如struct device，struct device_driver）当中使用。kobject的创建者需要直接或间接设置的成员有：ktype、kset和parent。kset我们后面再说，parent设置为NULL时，kobject默认创建到/sys顶层目录下，否则创建到对应的kobject目录中。重点来分析ktype成员的类型，
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#include?
struct kobj_type?{
void?(*release)(struct kobject?*kobj);?/*?释放?*/
const?struct sysfs_ops?*sysfs_ops;?/*?默认属性实现?*/
struct attribute?**default_attrs;?/*?默认属性?*/
const?struct kobj_ns_type_operations?*(*child_ns_type)(struct kobject?*kobj);
const?void?*(*namespace)(struct kobject?*kobj);
};
ktype包含了释放设备、默认属性以及属性的实现方法几个重要成员。每个kobject必须有一个release方法，并且kobject在该方法被调用之前必须保持不变（处于稳定状态）。默认属性的结构如下，
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#include?
struct attribute?{
const?char?*name;?/*?属性名称?*/
mode_t mode;?/*?属性保护：只读设为S_IRUGO，可写设为S_IWUSR?*/
}
kobj_type中的default_attrs为二级结构指针，可以对每个kobject使用多个默认属性，最后一个属性使用NULL填充。struct sysfs_ops结构则如下，
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struct sysfs_ops?{
ssize_t?(*show)(struct kobject?*,?struct attribute?*,char?*);
ssize_t?(*store)(struct kobject?*,struct attribute?*,const?char?*,?size_t);
};
show方法用于将传入的指定属性编码后放到char *类型的buffer中，store则执行相反功能：将buffer中的编码信息解码后传递给struct attribute类型变量。两者都是返回实际的属性长度。
一个使用kobject的简单例子如下，
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#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
MODULE_AUTHOR("xhzuoxin");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
void my_obj_release(struct kobject?*kobj)
{
printk("release ok.n");
}
ssize_t my_sysfs_show(struct kobject?*kobj,?struct attribute?*attr,?char?*buf)
{
printk("my_sysfs_show.n");
printk("attrname:%s.n",?attr->name);
sprintf(buf,?"%s",?attr->name);
return strlen(attr->name)?+?1;
}
ssize_t my_sysfs_store(struct kobject?*kobj,?struct attribute?*attr,?const?char?*buf,
size_t count)
{
printk("my_sysfs_store.n");
printk("write:%sn",?buf);
return count;
}
struct sysfs_ops my_sysfs_ops?=?{
.show?=?my_sysfs_show,
.store?=?my_sysfs_store,
};
struct attribute my_attrs?=?{
.name?=?"zx_kobj",
.mode?=?S_IRWXUGO,
};
struct attribute?*my_attrs_def[]?=?{
&my_attrs,
NULL,
};
struct kobj_type my_ktype?=?{
.release?=?my_obj_release,
.sysfs_ops?=?&my_sysfs_ops,
.default_attrs?=?my_attrs_def,
};
struct kobject my_kobj?;
int?__init kobj_test_init(void)
{
printk("kobj_test init.n");
kobject_init_and_add(&my_kobj,?&my_ktype,?NULL,?"zx");
return 0;
}
void __exit kobj_test_exit(void)
{
printk("kobj_test exit.n");
kobject_del(&my_kobj);
}
module_init(kobj_test_init);
module_exit(kobj_test_exit);
例子中有两个函数，用于初始化添加和删除kobject结构，
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int?kobject_init_and_add(struct kobject?*kobj,?struct kobj_type?*ktype,
struct kobject?*parent,?const?char?*fmt,?...);?/*?fmt指定kobject名称?*/
void kobject_del(struct kobject?*kobj);
加载模块后，在/sys目录下增加了一个叫zx达到目录，zx目录下创建了一个属性文件zx_kobj，使用tree /sys/zx查看。
内核提供了许多与kobject结构相关的函数，如下：
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//?kobject初始化函数
void kobject_init(struct kobject?*?kobj);
//?设置指定kobject的名称
int?kobject_set_name(struct kobject?*kobj,?const?char?*format,?...);
//?将kobj 对象的引用计数加，同时返回该对象的指针
struct kobject?*kobject_get(struct kobject?*kobj);
//?将kobj对象的引用计数减，如果引用计数降为，则调用kobject release()释放该kobject对象
void kobject_put(struct kobject?*?kobj);
//?将kobj对象加入Linux设备层次。挂接该kobject对象到kset的list链中，增加父目录各级kobject的引//?用计数，在其parent指向的目录下创建文件节点，并启动该类型内核对象的hotplug函数
int?kobject_add(struct kobject?*?kobj);
//?kobject注册函数,调用kobject init()初始化kobj，再调用kobject_add()完成该内核对象的注册
int?kobject_register(struct kobject?*?kobj);
//?从Linux设备层次(hierarchy)中删除kobj对象
void kobject_del(struct kobject?*?kobj);
//?kobject注销函数.?与kobject register()相反，它首先调用kobject del从设备层次中删除该对象，再调//?用kobject put()减少该对象的引用计数，如果引用计数降为，则释放kobject对象
void kobject_unregister(struct kobject?*?kobj);
kset结构
我们先看上图，kobject通过kset组织成层次化的结构，kset将一系列相同类型的kobject使用（双向）链表连接起来，可以这样 认为，kset充当链表头作用，kset内部内嵌了一个kobject结构。内核中用kset数据结构表示为：
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#include?
struct kset?{
struct list_head list;?/*?用于连接kset中所有kobject的链表头?*/
spinlock_t list_lock;?/*?扫描kobject组成的链表时使用的锁?*/
struct kobject kobj;?/*?嵌入的kobject?*/
const?struct kset_uevent_ops?*uevent_ops;?/*?kset的uevent操作?*/
};
与kobject?相似，kset_init()完成指定kset的初始化，kset_get()和kset_put()分别增加和减少kset对象的引用计数。Kset_add()和kset_del()函数分别实现将指定keset对象加入设备层次和从其中删除；kset_register()函数完成kset的注册而kset_unregister()函数则完成kset的注销。
==== 设备模型上层容器 ====
这里要描述的上层容器包括总线类型（bus_type）、设备（device）和驱动（device_driver），这3个模型环环相扣，参考图9-2。为何称为容器？因为bus_type/device/device_driver结构都内嵌了Linux设备的底层模型（kobject结构）。为什么称为上层而不是顶层？因为实际的驱动设备结构往往内嵌bus_type/device/device_driver这些结构，比如pci，usb等。
总线类型、设备、驱动3者之间关系：
在继续之前，自我感觉需要区分2个概念：总线设备与总线类型。总线设备本质上是一种设备，也需要像设备一样进行初始化，但位于设备的最顶层，总线类型是一种在设备和驱动数据结构中都包含的的抽象的描述（如图9-2），总线类型在/sys/bus目录下对应实体，总线设备在/devices目录下对应实体。
总线类型bus_type
内核对总线类型的描述如下：
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struct bus_type?{
const?char?*name;?/*?总线类型名?*/
struct bus_attribute?*bus_attrs;?/*?总线的属性?*/
struct device_attribute?*dev_attrs;?/*?设备属性,为每个加入总线的设备建立属性链表?*/
struct driver_attribute?*drv_attrs;?/*?驱动属性,为每个加入总线的驱动建立属性链表?*/
/*?驱动与设备匹配函数:当一个新设备或者驱动被添加到这个总线时，这个方法会被调用一次或多次，若指定的驱动程序能够处理指定的设备，则返回非零值。必须在总线层使用这个函数,?因为那里存在正确的逻辑，核心内核不知道如何为每个总线类型匹配设备和驱动程序?*/
int?(*match)(struct device?*dev,?struct device_driver?*drv);
/*在为用户空间产生热插拔事件之前，这个方法允许总线添加环境变量（参数和 kset 的uevent方法相同）*/
int?(*uevent)(struct device?*dev,?struct kobj_uevent_env?*env);
int?(*probe)(struct device?*dev);?/*?*/
int?(*remove)(struct device?*dev);?/*?设备移除调用操作?*/
void?(*shutdown)(struct device?*dev);
int?(*suspend)(struct device?*dev,?pm_message_t state);
int?(*resume)(struct device?*dev);
const?struct dev_pm_ops?*pm;
struct subsys_private?*p;?/*?一个很重要的域，包含了device链表和drivers链表?*/
};
接着对bus_type中比较关注的几个成员进行简述，
[1] struct bus_attribute结构，device_attribute与driver_attribute将分别在设备和驱动分析过程中看到，
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struct bus_attribute?{
struct attribute attr;
ssize_t?(*show)(struct bus_type?*bus,?char?*buf);
ssize_t?(*store)(struct bus_type?*bus,?const?char?*buf,?size_t count);
};
[2] subsys_private中包含了对加入总线的设备的链表描述和驱动程序的链表描述，省略的部分结构如下
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struct subsys_private?{
struct kset subsys;
struct kset?*devices_kset;?/*?使用kset构建关联的devices链表头?*/
struct kset?*drivers_kset;?/*?使用kset构建关联的drivers链表头?*/
struct klist klist_devices;?/*?通过循环可访问devices_kset的链表?*/
struct klist klist_drivers;?/*?通过循环可访问drivers_kset的链表?*/
struct bus_type?*bus;?/*?反指向关联的bus_type结构?*/
......
};
bus_type通过扫描设备链表和驱动链表，使用mach方法查找匹配的设备和驱动，然后将struct device中的*driver设置为匹配的驱动，将struct device_driver中的device设置为匹配的设备，这就完成了将总线、设备和驱动3者之间的关联。
bus_type只有很少的成员必须提供初始化，大部分由设备模型核心控制。内核提供许多函数实现bus_type的注册注销等操作，新注册的总线可以再/sys/bus目录下看到。
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struct bus_type ldd_bus_type?=?{?/*?bus_type初始化?*/
.name?=?"ldd",
.match?=?ldd_match,?/*?方法实现参见实例?*/
.uevent?=?ldd_uevent,?/*?方法实现参见实例?*/
};
ret?=?bus_register(&ldd_bus_type);?/*?注册，成功返回0?*/
if?(ret)
return ret;
void bus_unregister(struct bus_type?*bus);?/*?注销?*/
设备device
设备通过device结构描述，
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struct device?{
struct device?*parent;?/*?父设备，总线设备指定为NULL?*/
struct device_private?*p;?/*?包含设备链表，driver_data（驱动程序要使用数据）等信息?*/
struct kobject kobj;
const?char?*init_name;?/*?初始默认的设备名,但@device_add调用之后又重新设为NULL?*/
struct device_type?*type;
struct mutex mutex;?/*?mutex?to?synchronize calls?to?its driver?*/
struct bus_type?*bus;?/*?type of bus device?is?on?*/
struct device_driver?*driver;?/*?which driver has allocated this device?*/
void?*platform_data;?/*?Platform specific data,?device core doesn't touch it?*/
struct dev_pm_info power;
#ifdef CONFIG_NUMA
int?numa_node;?/*?NUMA node this device?is?close?to?*/
#endif
u64?*dma_mask;?/*?dma mask?(if?dma'able device)?*/
u64 coherent_dma_mask;/*?Like dma_mask,?but?for
alloc_coherent mappings as
not?all hardware supports
64 bit addresses?for?consistent
allocations such descriptors.?*/
struct device_dma_parameters?*dma_parms;
struct list_head dma_pools;?/*?dma pools?(if?dma'ble)?*/
struct dma_coherent_mem?*dma_mem;?/*?internal?for?coherent mem override?*/
/*?arch specific additions?*/
struct dev_archdata archdata;
#ifdef CONFIG_OF
struct device_node?*of_node;
#endif
dev_t devt;?/*?dev_t,?creates the sysfs?"dev"?设备号?*/
spinlock_t devres_lock;
struct list_head devres_head;
struct klist_node knode_class;
struct?class?*class;
const?struct attribute_group?**groups;?/*?optional groups?*/
void?(*release)(struct device?*dev);
};
设备在sysfs文件系统中的入口可以有属性，这通过struct device_attribute单独描述，提供device_create_file类型函数添加属性。
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/*?interface?for?exporting device attributes?*/
struct device_attribute?{
struct attribute attr;
ssize_t?(*show)(struct device?*dev,?struct device_attribute?*attr,
char?*buf);
ssize_t?(*store)(struct device?*dev,?struct device_attribute?*attr,
const?char?*buf,?size_t count);
};
使用宏DEVICE_ATTR宏可以方便地再编译时构建设备属性，构建好属性之后就必须将属性添加到设备。
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/*?最终生成变量dev_attr_##_name描述属性，
*?比如DEVICE_ATTR(zx,S_IRUGO,show_method,NULL);
*?则create_file中entry传入实参为dev_attr_zx?*/
DEVICE_ATTR(_name,_mode,_show,_store);
/*属性文件的添加与删除使用以下函数?*/
int?device_create_file(struct device?*device,?struct device_attribute?*?entry);
void device_remove_file(struct device?*?dev,?struct device_attribute?*?attr);
总线设备的注册：总线设备与一般设备一样，需要单独注册，与一般设备不同，总线设备的parent与bus域设为NULL。一般设备注册注销函数为
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int?device_register(struct device?*dev);?/*?成功返回0，需要检查返回值?*/
void device_unregister(struct device?*dev);
实际创建新设备时，不是直接使用device结构，而是将device结构嵌入到具体的设备结构当中，比如
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struct ldd_device?{
char?*name;?/*?设备名称?*/
struct ldd_driver?*driver;?/*?ldd设备关联的驱动?*/
struct device dev;?/*?嵌入的device结构?*/
};
/*?同时提供根据device结构获取ldd_device结构的宏定义?*/
#define to_ldd_device(dev)?container_of(dev,?struct ldd_device,?dev);
驱动device_driver
驱动结构描述，
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struct device_driver?{
const?char?*name;?/*?驱动名称,在sysfs中以文件夹名出现?*/
struct bus_type?*bus;?/*?驱动关联的总线类型?*/
struct module?*owner;
const?char?*mod_name;?/*?used?for?built-in?modules?*/
bool suppress_bind_attrs;?/*?disables bind/unbind via sysfs?*/
#if?defined(CONFIG_OF)
const?struct of_device_id?*of_match_table;
#endif
int?(*probe)?(struct device?*dev);
int?(*remove)?(struct device?*dev);
void?(*shutdown)?(struct device?*dev);
int?(*suspend)?(struct device?*dev,?pm_message_t state);
int?(*resume)?(struct device?*dev);
const?struct attribute_group?**groups;
const?struct dev_pm_ops?*pm;
struct driver_private?*p;
};
struct driver_private?{?/*?定义device_driver中的私有数据类型?*/
struct kobject kobj;?/*?内建kobject?*/
struct klist klist_devices;?/*?驱动关联的设备链表，一个驱动可以关联多个设备?*/
struct klist_node knode_bus;
struct module_kobject?*mkobj;
struct device_driver?*driver;?/*?连接到的驱动链表?*/
};
#define to_driver(obj)?container_of(obj,?struct driver_private,?kobj)
与设备和总线类似，驱动可以有属性，需要单独定义并添加。
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/*?sysfs interface?for?exporting driver attributes?*/
struct driver_attribute?{
struct attribute attr;
ssize_t?(*show)(struct device_driver?*driver,?char?*buf);
ssize_t?(*store)(struct device_driver?*driver,?const?char?*buf,
size_t count);
};
DRIVER_ATTR(_name,_mode,_show,_store);?/*?最终创建变量driver_attr_##_name描述属性?*/
/*属性文件创建的方法:*/
int?driver_create_file(struct device_driver?*?drv,?struct driver_attribute?*?attr);
void driver_remove_file(struct device_driver?*?drv,?struct driver_attribute?*?attr);
驱动的注册与注销
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/*注册device_driver 结构的函数?*/
int?driver_register(struct device_driver?*drv);
void driver_unregister(struct device_driver?*drv);
与设备结构一样，在编写新设备的驱动程序时，常常将device_driver结构嵌入到新设备结构当中使用。
====?实例分析 ====
实例源代码主要来自LDD3提供的示例代码，因为LDD3的代码是linux-2.6.10版本，因此需要对源代码做一些修改。所有源代码参见：
device_model.zip。因为两个模块关联，我们这使用一个Makefile文件同时编译2个模块，如下
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obj-m?:=?lddbus.o sculld.o
lddbus模块分析
包括2个文件，lddbus.c（example/lddbus/）与lddbus.h（example/include/）。lddbus.h中使用extern申明了将要使用EXPORT_SYMBOL导出的变量ldd_bus_type，lddbus.c中创建了总线类型ldd_bus_type以及总线设备ldd_bus。
lddbus.h
-> extern ldd_bus_type
lddbus.c
-> ldd_bus_type (EXPORT_SYMBOL)
-> ldd_bus
由于版本变迁，对源代码做了修改，（i）热插拔不再使用hotplug函数，因此将该操作去掉了；（ii）dev->bus_id[]改成了使用dev_set_name()设置设备名称，使用init_name也可以设置，但后来发现init_name会在调用device_add之后就被赋值为NULL，这导致一个重大内核错误（kernel panic），将在后面详述。
分析源代码：作者定义了ldd_device与ldd_driver，两个变量分别内嵌device与device_driver结构，然后分别为ldd_device定义了注册函数register_ldd_device和注销函数unregister_ldd_device，对ldd_driver也做了类似的工作。还宏定义了to_ldd_driver和to_ldd_device来使用内嵌结构（device/device_driver）访问更上层的容器ldd_device和ldd_driver。但是不用着急，实际模块装载时没有使用ldd_device或者ldd_driver，而是将它们和相关的注册注销等操作使用EXPORT_SYMBOL导出到其它模块使用（这将在实例sculld模块中看到）。
struct ldd_device/register_ldd_device/unregister_ldd_device
-> struct device/ device_register/device_unregister
-> to_ldd_device
struct ldd_driver也类似
LDD3的Makefile中普遍使用了CFLAGS变量，但在新的内核版本中，该变量与内核Makefile的CFLAGS变量冲突，因此将所有的Makefile的CFLAGS变量替换成了EXTRA_CFLAGS。
装载模块后，查看/sys/bus目录下，增加了ldd文件夹，/sys/devices目录下增加了ldd0文件夹。
sculld模块分析
sculld模块是接着lddbus在加载lddbus基础上进行的，sculld使用了lddbus中导出的ldd_device和ldd_driver结构。我们大致分析下总体的设备和驱动注册的调用关系，
scull_init()
->register_ldd_driver()? //?由lddbus模块导出
->driver_register()?
->sculld_register_dev()
->register_ldd_dev()? //?由lddbus模块导出
->device_register()
装载程序后查看bus/ldd/devices目录下，bus/ldd/drivers目录下多了驱动程序，多了4个设备，devices/ldd0下也多了4个设备。
关于kernel panic错误
在修改lddbus与sculld中，装载sculld模块时遇到如下错误，同时键盘大写字母指示灯闪烁，操作系统被锁定，只能强制关机。现在记录分析及解决错误的过程，
从网上找到资料，kernel panic类型错误要跟踪信息，还好，使用的虚拟机，把出错的状态截屏了。kernnel panic错误分硬件和软件，一般是由于指针指向了NULL。硬件有EIP指示出错位置，如上图有一行
EIP:[] strncmp+0x11/0x38
好了，strncmp就是指示出错位置，然后到源代码中找到使用该函数地方，出错前为
!strncmp(dev->init_name,?driver->name,?strlen(driver->name));
前面说过，dev->init_name在调用device_register之后就被设置为NULL了，好了，就是它了，改成如下（通过kobj访问设备名称）就OK。
!strncmp(dev->kobj.name,?driver->name,?strlen(driver->name));
?
工商网监
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