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Linux菜鸟专题-驱动框架:驱动、总线与设备的三角模型

  • 2026-09-19 13:27:34
Linux菜鸟专题-驱动框架:驱动、总线与设备的三角模型

    “照猫画虎”是许多驱动工程师入门的常态:参照现有模板修改代码,即便驱动跑通,对框架背后的运行逻辑依然一知半解。然而,当面对异构硬件平台移植、驱动热插拔或复杂的电源管理时,缺乏对框架本质的理解将成为瓶颈。

    本文将跳出具体的代码细节,回归到Linux驱动框架的本源。我们将通过复盘开发中常见的疑难杂症,文章将采用问题驱动(Question-Driven)的方式,从BUS、DEVICE、DRIVER三个维度系统性地梳理Linux设备驱动模型。旨在阐明:框架并非束缚,而是为了更好地管理硬件资源、降低耦合度。通过本文,读者将理解内核如何利用这一套精密的架构体系,高效地协调硬件与软件的交互。

系列问题

Q1:关于驱动什么时候出现在内核的驱动列表里?

Q2:说明一下这个驱动注册到总线列表里面是什么意思?ko的和加载到内核镜像中的都要注册到总线里面吗?以及总线是不是分为platform、spi、i2c总线等,这样分的意义是什么?

Q3:USB设备插入后,需要重新配置dts吗?内核直接可以识别并调用probe?

Q4:解析设备或者热插拔识别设备创建的device对象是什么?创建后加载到总线的虚拟地址中进行记录吗?

Q5:在总线注册设备时候,会将设备分为SPI、I2C、PCI以及Platform设备等,具体什么才是Platform设备?

Q6:在 DTS 中 &i2c1下写了 compatible设备后,和 i2c1 总线上注册流程是什么?总线和总线上设备列表之间是什么关系?

Q7:dts中&i2c1是什么意思?它是要 I2C控制器注册之后才有吗?

&i2c1 {    temp_sensor@40 {        compatible = "mycompany,temp-sensor";        reg = <0x40>;    };};

    在回答以上问题之前,先说明一下内核启动解析设备树和驱动的过程,具体如下:

【系统启动】    ↓【设备树被加载并解析】→ 内核扫描rk3588-orangepi-5-plus.dtb    ↓    ├─ Device 1: gpio-leds, compatible = "gpio-leds"    ├─ Device 2: pwm-fan, compatible = "pwm-fan"    ├─ Device 3: sfc (SPI Flash), compatible = "jedec,spi-nor"    ├─ Device 4: remotectl, compatible = "rockchip,remotectl-pwm"    └─ Device 5: GPIO3, compatible = "rockchip,rk3588-gpio"    ↓【内核驱动模块被加载】→ 驱动注册自己到内核    ↓    ├─ Driver A: compatible = "gpio-leds"    ├─ Driver B: compatible = "pwm-fan"    ├─ Driver C: compatible = "jedec,spi-nor"    ├─ Driver D: compatible = "rockchip,remotectl-pwm"    └─ Driver E: compatible = "rockchip,rk3588-gpio"    ↓【内核进行配对】→ 匹配 compatible 字符串    ↓    ├─ gpio-leds device + gpio-leds driver ✓ 匹配!→ 调用 probe()    ├─ pwm-fan device + pwm-fan driver ✓ 匹配!→ 调用 probe()    ├─ spi-nor device + jedec-spi-nor driver ✓ 匹配!→ 调用 probe()    └─ ... 其他设备    ↓【驱动 probe() 执行】→ 驱动被激活,硬件被初始化    ↓【驱动开始工作】

整个过程的核心是字符串匹配!

    设备树里说:“我的compatible是gpio-leds”,驱动说:“我的of_match_table里包括gpio-leds”,内核里就说:"你们配对成功就,就开始工作吧"。

    总而言之,内核启动时会解析设备树+遍历驱动,通过compatible和of_match_table做匹配。匹配成功后加载probe函数完成设备的初始化,这是linux设备树驱动模型的核心逻辑,所有基于设备树硬件驱动(LED、GPIO、I2C等)都遵循这个流程。

Q1:关于驱动什么时候出现在内核的驱动列表里?

情况1:编译进内核镜像的驱动(built-in)

加载时间:内核启动最早阶段,甚至早于根文件系统挂载,具体是在start_kernel() -->do_basic_setup()--->driver_init()-->platform_bus_init()之后,内核会调用所有内置驱动的__init函数,把驱动注册到总线的驱动列表里面。

    这类驱动不是“加载”(load),而是编译时直接嵌进内核镜像,内核启动时自动执行驱动的注册代码,不需要额外的加载动作。

情况2:编译成ko模块的驱动(可加载)。

加载时间:

1、手动执行insmod/modprobe指令(用户态)

2、内核启动后期,通过.etc/modprobe.d等配置自动加载。

3、设备匹配时候,按需加载,注册到驱动列表里面。

驱动代码独立成.ko文件,不占用内核镜像空间,加载后和内置驱动的待遇完全一样。

Q2:说明一下这个驱动注册到总线列表里面是什么意思?ko的和加载到内核镜像中的都要注册到总线里面吗?以及总线是不是分为platform、spi、i2c总线等,这样分的意义是什么?

    在回答该问题之前,首先要来介绍:内核里的“总线—设备—驱动”模型。

linux内核把所有的设备抽象成为struct device,把所有驱动抽象为struct device_driver,而总线(struct bus_type)就是他们之间的管理者,每个总线需要维护两个链表:

设备链表:挂在该总线上的所有设备(klist_devices);

驱动链表:注册到该总线的所有驱动(klist_drivers)。

驱动注册到总线列表的过程如下:

    当一个驱动被加载(无论是被编译进内核镜像,还是作为ko模块加载 ),他会:

1、初始化自己的struct device_driver结构体,并调用driver_register进行注册,比如:

static struct platform_driver my_driver = {    .probe  = my_probe,    .remove = my_remove,    .driver = {        .name = "my-device",        .of_match_table = of_match_ptr(my_of_match),    },};

    当内核解析 DTS 时,发现某个设备的 compatible是 "mycompany,my-device",就会在总线的驱动列表中找 of_match_table包含该字符串的驱动,匹配成功则调用 probe。

2、调用总线提供的注册函数,比如:

*Platform总线:Platform_driver_register(&my_driver);

*I2C总线:i2c_add_driver(&my_driver);

*USB总线:usb_register_driver(&my_driver);

    内核把这个驱动结构体添加到对应总线的驱动列表中。注册到总线中后,这个驱动就到了总线中的驱动候选池,以后只要总线上出现匹配的设备,总线就会自动调用驱动的probe函数。

ko模块和编译进内核镜像的驱动,都要注册到总线,区别是加载时机不同:

驱动形式

加载时机

注册到总线的动作发生在哪里

编译进内核镜像

内核启动阶段(built-in)

在驱动的 __init

函数中调用注册接口

ko 模块(.ko 文件)

运行时通过 insmod/modprobe

加载

在模块的初始化函数中调用注册接口

// 驱动的初始化函数static int __init my_driver_init(void){    printk("my_driver: init\n");    return platform_driver_register(&my_driver);  // 注册到 Platform 总线}// 驱动的退出函数static void __exit my_driver_exit(void){    platform_driver_unregister(&my_driver);  // 从总线注销    printk("my_driver: exit\n");}module_init(my_driver_init);   // ko 模块加载时执行module_exit(my_driver_exit);   // ko 模块卸载时执行

总线分类:

总线类型

管理的设备类型

典型例子

Platform Bus

SoC 内部片上外设(非总线型设备)

UART、GPIO、Watchdog、SPI/I2C 控制器本身

I2C Bus

挂在 I2C 控制器上的设备

I2C 传感器、I2C EEPROM

SPI Bus

挂在 SPI 控制器上的设备

SPI Flash、SPI 显示屏

USB Bus

USB 接口上的设备

USB 鼠标、U盘、USB 网卡

PCI Bus

PCI/PCIe 插槽上的设备

PCIe 显卡、PCI 声卡


Q3:USB设备插入后,需要重新配置dts吗?内核直接可以识别并调用probe?

    回答这个问题之前,需要搞清楚什么是DTS静态设备和热插拔设备。

DTS静态设备

·设备物理固定在硬件上(如板载I2C传感器、SoC内置UART),不支持插拔,开机就存在。依赖DTS(Device Tree)或ACPI表描述:内核通过解析这些静态配置文件“知道”设备存在(如地址、compatible属性)。如:ARM开发板的I2C温湿度传感器、SoC内置的GPIO控制器、x86服务器的板载网卡(非PCIe)。

热插拔设备

·设备支持运行时动态插拔(如USB鼠标、U盘、PCIe显卡),可随时连接/断开。不需要DTS/ACPI描述:设备通过总线协议(如USB的枚举协议)自描述,内核直接读取设备自身的标识信息(如VID/PID、Class Code)。USB键盘/鼠标、U盘、PCIe显卡、Thunderbolt显示器。

静态设备和热插拔设备的识别流程:

    无论是静态设备还是热插拔设备,内核最终都会把他们抽象成为struct device(或子类,如usb_device,pci_dev,platform_device等),然后挂载到对应的总线上面。区别在于:设备是怎么被发现的,以及如何被创建并挂载到总线上面的。

一、静态设备和热插拔设备的统一流程:

不管是哪种设备,最终都要经历:

发现设备--->创建device对象 ---->挂载到对应总线---->总线匹配驱动----->调用probe

只不过,发现设备这一步的实现方式不一样:

设备类型

发现方式

创建device的时机

是否依赖DTS/ACPI

USB鼠标

USB控制器中断+协议握手

运行时动态创建

否

PCIe显卡

PCI总线扫描

启动时枚举+热插拔时动态

否(靠PCI配置空间)

I2C温湿度传感器

DTS描述

内核启动时候解析DTS创建

是

Platform设备

DTS/ACPI描述

内核启动时解析创建

是

二、静态设备的具体实现流程

以ARM开发板上的I2C为例:

1、硬件层面

·传感器焊死在板子上,连接到soc的i2c控制器上面:地址固定,比如0x40,不支持热插拔

2、软件层面(DTS的作用)

·在DTS文件中这样描述

&i2c1{    temp_sensor@40{        compatible = "mycompany, temp-sensor";        reg = <0x40>;    };};

内核启动时:

1、解析DTS,发现i2c1总线上面有一个compatible为“mycompany, temp-sensor”,地址为0x40的设备。

2、调用of_platform_populate()或类似函数,创建i2c_client结构体(本质是struct device)的子类

3、把这个i2c_client对象挂载到i2C总线的设备列表上。

3、驱动匹配

·内核中已经注册了一个I2C驱动,其id_table或of_match_table包含“mycompany, temp-sensor”;

·I2C总线遍历设备,发现刚创建的i2c_client和该驱动匹配;

·调用驱动的probe函数,初始化传感器。

DTS静态设备和 USB 热插拔的对比

步骤

USB 热插拔设备(如 U 盘)

DTS 静态设备(如 I2C 传感器)

发现设备

USB 控制器检测到插入,读取设备描述符

内核解析 DTS 文件,发现设备描述

创建 device

动态创建 usb_device

对象

启动时解析 DTS,创建 i2c_client

对象

挂载总线

自动加入 USB 总线的设备列表

自动加入 I2C 总线的设备列表

驱动匹配

总线遍历驱动列表,匹配 VID/PID

总线遍历驱动列表,匹配 compatible

调用 probe

匹配成功后调用驱动的 probe

匹配成功后调用驱动的 probe

    可以看到,除了“发现设备”的方式不同,后续的流程是完全一致的:都是创建 device对象 → 挂到总线 → 匹配驱动 → 调用 probe。

Q4:解析设备或者热插拔识别设备创建的device对象是什么?创建后加载到总线的虚拟地址中进行记录吗?

A:device本质是一个C语言结构体在linux内核中,所有设备都被抽象为了一个叫做struct device的数据结构,他就像是一个设备的身份证,记录了:设备名称、设备所在的总线类型、设备资源(寄存器地址,中断号)、指向父设备、驱动、总线等指针、设备状态(是否注册,是否匹配到驱动等)

struct device {    const char        *init_name;  // 设备名    struct bus_type   *bus;        // 所属总线    struct device_driver *driver;  // 绑定的驱动    void              *platform_data; // 平台私有数据    // ... 还有很多字段};

    当内核发现这个设备时候,会调用kzalloc()分配一块内存,大小等于struct device(或其他的子类,如Platform_device\i2c client)、并且填充结构体里面的字段,比如总线指针、设备明、compatible等,并把这个结构体注册到内核的设备模型当中去。

    内核中有一个全局的总线列表(bus_type结构体链表);每个总线结构体里有一个设备链表(struct device *klist_devices),用来存放挂在该总线上的所有设备。当创建一个device并设置好他的bus指针后,内核会把他的指针加入到总线的设备列表内。

Q5:Platform 设备具体指的是哪些设备?

A:Platform设备的定义Platform设备是linux内核中一种特殊的设备类型,专门用于描述集成在SoC内部的,非总线型的片上外设。

特点:

1、直接挂载Soc的内部总线上,不是PCI、USB、I2C这种外部总线。

2、通常通过内存映射寄存器(MMIO)访问;

3、可能有固定的中断号

4、不支持热插拔的设备,开机就有,关机才消失类型。

Platform设备的典型案例:

设备类型

举例

Soc内部定时器

ARM的timer

UART串口

SoC内置的串口控制器

GPIO控制器

SoC的GPIO引脚控制器

DMA控制器

SoC的DMA引擎

SPI/I2C控制器本身

SPI/I2C总线控制器本身是Platform设备,但是他们下面的传感器是SPI/I2C设备

Watchdog

SoC内置的watchdog模块

Q6:在 DTS 中 &i2c1下写了 compatible设备后,就是在 i2c1 总线上注册设备了吗?总线和总线上设备列表之间是什么关系?

A:

&i2c1 {    temp_sensor@40 {        compatible = "mycompany,temp-sensor";        reg = <0x40>;    };};

内核做的事情包括:

1、内核解析到i2c1这个i2C控制器节点;

2、发现i2c控制器节点下有一个子节点,设备是temp_sensor@40;

3、根据reg=<0x40>知道设备在i2C总线上的地址是0x40;

4、根据compatible知道设备的类型,并创建设备结构体i2c_client,本质上是struct device的子类

5、设置他的bus指针指向i2c_bus_type;

6、把这个i2c_client添加到I2C总线的链表中

从而,在I2C总线上注册了一个设备。

总线和总线上设备列表之间的关系:

1、总线结构体(struct bus_type)

每个总线类型(如I2C、USB、Platform)都有一个bus_type结构体,比如:

-I2C总线:i2c_bus_type

-Platform总线:platform_bus_type

-USB总线:usb_bus_type

这个结构体里包含的:

    总线名称、设备匹配函数、设备链表(klist_devices)、驱动链表(klist_drivers)每个总线结构体中都有一个设备链表,用于存放总线上面的所有设备。并且还有要一个驱动列表,用于存放注册到总线上的所有驱动,当设备和驱动都在同一个总线上面,总线会遍历两个列表,调用match来看是否匹配。

Q7:dts中&i2c1是什么意思?它是要 I2C控制器注册之后才有吗?

&i2c1{    temp_sensor@40{        compatible = "mycompany, temp-sensor";        reg = <0x40>;    };}

A:在DTS中:

*i2c1:i2c@12340000{ ... }定义了一个I2C控制前节点,并给它起了一标签叫做i2c1;

*i2c1表示“引用前面定义的i2c1这个节点”,也就是给I2C控制器添加子设备,注意:此刻i2c1是I2C控制器本身,他是一个Platform设备,在DTS中通常定义:

i2c1: i2c@12340000 {    compatible = "vendor,i2c-controller";    reg = <0x12340000 0x1000>;    interrupts = <GIC_SPI 12 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;    #address-cells = <1>;    #size-cells = <0>;    status = "okay";};

    这个节点描述的I2C控制器硬件本身,他会被内核解析后:

1、创建一个platform_device对象(因为I2C控制器是SoC内部的外设,属于Platform设备);

2、注册到Platform总线上;

3、匹配到对应的I2C控制器驱动

4、调用驱动的probe函数,初始化这个I2C控制器。

时序关系:

+---------------------+|      内核启动        |+---------------------+          ↓[解析 DTS → 创建 platform_device(i2c1)]          ↓[Platform 总线匹配驱动 → 调用 I2C 控制器的 probe()]          ↓[I2C 控制器初始化 → 创建 i2c_adapter → 注册到 i2c_bus_type]          ↓[继续解析 DTS → 发现 i2c1 的子设备 temp_sensor]          ↓[创建 i2c_client(device) → 加入 i2c_bus_type 的设备链表]          ↓[i2c_bus_type 遍历驱动链表 → 调用 match() 匹配]          ↓[匹配成功 → 调用驱动的 probe()]

注意:

    &i2C1引用的节点是先于他的子设备被解析,I2C控制器probe后,他才能成为一个可用的I2C总线,之后他的子设备才会被注册到这条总线上。

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