linux设备驱动模型架构分析（一）——概述
概述
LDD3中說：“Linux內核需要一個對系統(tǒng)結構的一般性描述。”這個描述就是linux設備驅動模型（下面簡稱為LDDM）。LDDM不是獨立存在，其體系如下圖所示：
LDDM體系結構
對架構的每一部分本文都會開辟獨立的章節(jié)進行描述。暫且拋開這個架構，首先從總體上了解一下LDDM。
LDDM與驅動程序密切相關，而驅動程序處于linux系統(tǒng)中的什么位置呢？我們自頂向下一步步來說，先看下圖[以下內容以http://www.wowotech.net/sort/device_model中的內容為主體結合自己的認識和對于4.1內核的修改，這個系列文章非常好，推薦]，linux由五個部分組成
1. Process Scheduler，也稱作進程管理、進程調度。負責管理CPU資源，以便讓各個進程可以以盡量公平的方式訪問CPU。
2. Memory Manager，內存管理。負責管理Memory（內存）資源，以便讓各個進程可以安全地共享機器的內存資源。另外，內存管理會提供虛擬內存的機制，該機制可以讓進程使用多于系統(tǒng)可用Memory的內存，不用的內存會通過文件系統(tǒng)保存在外部非易失存儲器中，需要使用的時候，再取回到內存中。
3. VFS（Virtual File System），虛擬文件系統(tǒng)。Linux內核將不同功能的外部設備，例如Disk設備（硬盤、磁盤、NAND Flash、Nor Flash等）、輸入輸出設備、顯示設備等等，抽象為可以通過統(tǒng)一的文件操作接口（open、close、read、write等）來訪問。這就是Linux系統(tǒng)“一切皆是文件”的體現(xiàn)（其實Linux做的并不徹底，因為CPU、內存、網絡等還不是文件，如果真的需要一切皆是文件）。
4. Network，網絡子系統(tǒng)。負責管理系統(tǒng)的網絡設備，并實現(xiàn)多種多樣的網絡標準。
5. IPC（Inter-Process Communication），進程間通信。IPC不管理任何的硬件，它主要負責Linux系統(tǒng)中進程之間的通信。
其中與設備驅動相關的是VFS子系統(tǒng)，VFS子系統(tǒng)包含5個模塊：
1. Device Drivers，設備驅動，用于控制所有的外部設備及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件設備（特別是嵌入式產品），所以也有非常多的設備驅動。因此，Linux內核中將近一半的Source Code都是設備驅動，大多數(shù)的Linux底層工程師（特別是國內的企業(yè)）都是在編寫或者維護設備驅動，而無暇估計其它內容（它們恰恰是Linux內核的精髓所在）。
2. Device Independent Interface， 該模塊定義了描述硬件設備的統(tǒng)一方式（統(tǒng)一設備模型），所有的設備驅動都遵守這個定義，可以降低開發(fā)的難度。同時可以用一致的形勢向上提供接口。這一層體現(xiàn)了linux設備驅動模型的核心思想。
3. Logical Systems，每一種文件系統(tǒng)，都會對應一個Logical System（邏輯文件系統(tǒng)），它會實現(xiàn)具體的文件系統(tǒng)邏輯。使用mount命令可以看到。
4. System Independent Interface，該模塊負責以統(tǒng)一的接口（塊設備和字符設備）表示硬件設備和邏輯文件系統(tǒng)，這樣上層軟件就不再關心具體的硬件形態(tài)了。
5. System Call?Interface，系統(tǒng)調用接口，向用戶空間提供訪問文件系統(tǒng)和硬件設備的統(tǒng)一的接口。
從圖中可以看出，VFS包含了設備驅動的大部分內容（網絡驅動不屬于“文件”），設備無關接口體現(xiàn)的就是linux設備驅動模型的核心思想。
LDDM核心思想
如前所述，由于Linux支持世界上幾乎所有的、不同功能的硬件設備（這是Linux的優(yōu)點），導致Linux內核中有一半的代碼是設備驅動，而且隨著硬件的快速升級換代，設備驅動的代碼量也在快速增長。為了降低設備多樣性帶來的Linux驅動開發(fā)的復雜度，以及設備熱拔插處理、電源管理等，Linux內核提出了設備模型（也稱作Driver Model）的概念。設備模型將硬件設備歸納、分類，然后抽象出一套標準的數(shù)據結構和接口。驅動的開發(fā)，就簡化為對內核所規(guī)定的數(shù)據結構的填充和實現(xiàn)。
因此，Linux設備驅動模型是一種抽象，為內核建立起統(tǒng)一的設備模型。其目的是：
提供一個對系統(tǒng)結構的一般性抽象描述。
LDDM跟蹤所有系統(tǒng)所知道的設備，以便讓LDDM核心程序協(xié)調驅動與新設備之間的關系。
內核使用Linux設備驅動模型支持如下任務：
1. 電源管理和系統(tǒng)關機
2. 與用戶空間通信
???sys虛擬文件系統(tǒng)的實現(xiàn)與設備模型密切相關，并且向外界展示了它所表述的結構。向用戶空間所提供的系統(tǒng)信息，以及改變操作參數(shù)的接口，都要通過/sys文件系統(tǒng)實現(xiàn)，即通過設備模型實現(xiàn)。
3. 熱插拔設備
???處理與用戶空間進行熱插拔設備的通信是通過設備模型管理的。
4. 設備類型
???設備模型包括了對設備分類的機制，它會在更高的功能層上描述這些設備，并使得這些設備對用戶空間可見。尤其是將命名設備的功能從內核層轉移到用戶層，大大提高了設備管理的靈活性。
5. 對象生命周期管理
???設備模型實現(xiàn)一系列機制以處理對象的生命周期、對象之間的關系，以及這些對象在用戶空間中的表示。簡化編程人員創(chuàng)建和管理對象的工作。
Linux設備驅動模型使用一系列抽象（面向對象設計里的類），提供統(tǒng)一的設備管理視圖，這些抽象包括：總線、類、設備和設備驅動。
Bus（總線）：總線是CPU和一個或多個設備之間信息交互的通道。而為了方便設備模型的抽象，所有的設備都應連接到總線上，無論是CPU內部總線、虛擬的總線還是“platform Bus”（在計算機中有這樣一類設備，它們通過各自的設備控制器，直接和CPU連接，CPU可以通過常規(guī)的尋址操作訪問它們（或者說訪問它們的控制器）。這種連接方式，并不屬于傳統(tǒng)意義上的總線連接。但設備模型應該具備普適性，因此Linux就虛構了一條Platform Bus，供這些設備掛靠。）。
Class（分類）：在Linux設備模型中，Class的概念非常類似面向對象程序設計中的Class（類），它主要是集合具有相似功能或屬性的設備，這樣就可以抽象出一套可以在多個設備之間共用的數(shù)據結構和接口函數(shù)。因而從屬于相同Class的設備的驅動程序，就不再需要重復定義這些公共資源，直接從Class中繼承即可。
Device（設備）：抽象系統(tǒng)中所有的硬件設備，描述它的名字、屬性、從屬的Bus、從屬的Class等信息。
另外，linux驅動模型還有一類抽象，Device Driver（設備驅動），Linux設備模型用Driver抽象硬件設備的驅動程序，它包含設備初始化、電源管理相關的接口實現(xiàn)。而Linux內核中的驅動開發(fā)，基本都圍繞該抽象進行（實現(xiàn)所規(guī)定的接口函數(shù)）。
上面提到過，Linux內核通過sys文件系統(tǒng)展示了設備驅動模型的內在結構，我們通過sys文件系統(tǒng)來看看上述抽象如何組織在一起，如何有序的管理linux設備：
可以看到，linux驅動模型是個復雜的體系，包括設備樹、總線樹、類樹，即使一個簡單的系統(tǒng)設備模型也會包含幾百個節(jié)點，但是Linux設備驅動模型代碼會處理好這些關系，模型隱藏在交互背后。
綜上所述，Linux設備驅動模型的核心思想是：
?1. 用Device（struct device）和Device Driver（struct device_driver）兩個數(shù)據結構，分別從“有什么用”和“怎么用”兩個角度描述硬件設備。這樣就統(tǒng)一了編寫設備驅動的格式，使驅動開發(fā)從論述題變?yōu)樘羁阵w，從而簡化了設備驅動的開發(fā)。
2. 同樣使用Device和Device Driver兩個數(shù)據結構，實現(xiàn)硬件設備的即插即用（熱拔插）。
在Linux內核中，只要任何Device和Device Driver具有相同的名字，內核就會執(zhí)行Device Driver結構中的初始化函數(shù)（probe），該函數(shù)會初始化設備，使其為可用狀態(tài)。
而對大多數(shù)熱拔插設備而言，它們的Device Driver一直存在內核中。當設備沒有插入時，其Device結構不存在，因而其Driver也就不執(zhí)行初始化操作。當設備插入時，內核會創(chuàng)建一個Device結構（名稱和Driver相同），此時就會觸發(fā)Driver的執(zhí)行。這就是即插即用的概念。
3. 通過"Bus-->Device”類型的樹狀結構解決設備之間的依賴，而這種依賴在開關機、電源管理等過程中尤為重要。
試想，一個設備掛載在一條總線上，要啟動這個設備，必須先啟動它所掛載的總線。很顯然，如果系統(tǒng)中設備非常多、依賴關系非常復雜的時候，無論是內核還是驅動的開發(fā)人員，都無力維護這種關系。
而設備模型中的這種樹狀結構，可以自動處理這種依賴關系。啟動某一個設備前，內核會檢查該設備是否依賴其它設備或者總線，如果依賴，則檢查所依賴的對象是否已經啟動，如果沒有，則會先啟動它們，直到啟動該設備的條件具備為止。而驅動開發(fā)人員需要做的，就是在編寫設備驅動時，告知內核該設備的依賴關系即可。
4. 使用Class結構，在設備模型中引入面向對象的概念，這樣可以最大限度地抽象共性，減少驅動開發(fā)過程中的重復勞動，降低工作量。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的linux设备驱动模型架构分析（一）——概述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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