详解Linux设备模型(8)_platform设备

1. 前言

在Linux设备模型的抽象中，存在一类设备被称作“平台设备”（Platform Device）。根据内核官方文档（Documentation/driver-model/platform.txt）的描述，平台设备通常被视为系统中的独立实体。它们包括旧式端口设备（legacy）、主机桥接到外围总线的设备、以及大多数集成到SoC平台上的控制器。这些设备通常有一个共性，就是可以通过CPU总线进行直接寻址（例如在嵌入式系统中常见的“寄存器”）。虽然极少数平台设备可能连接到其他类型的总线上，但它们的寄存器仍然可以直接访问。

由于平台设备的这些共性，内核在设备模型的基础上（device和device_driver），进一步封装了这些设备，抽象出了平台总线（platform bus）、平台设备（platform device）和平台驱动（platform driver），以方便驱动开发人员开发这类设备的驱动。

对于Linux驱动工程师来说，平台设备是非常重要的，因为我们编写的大多数设备驱动都是为了驱动平台设备。本文将介绍平台设备在内核中的实现。

2. Platform模块的软件架构

内核中Platform设备有关的实现位于include/linux/platform_device.h和drivers/base/platform.c两个文件中，它的软件架构如下：

由图片可知，Platform设备在内核中的实现主要包括三个部分：

Platform Bus，基于底层bus模块，抽象出一个虚拟的Platform bus，用于挂载Platform设备；
Platform Device，基于底层device模块，抽象出Platform Device，用于表示Platform设备；
Platform Driver，基于底层device_driver模块，抽象出Platform Driver，用于驱动Platform设备。

其中Platform Device和Platform Driver会会其它Driver提供封装好的API，具体可参考后面的描述。

3. Platform模块向其它模块提供的API汇整

Platform提供的接口包括：Platform Device和Platform Driver两个数据结构，以及它们的操作函数。

3.1 数据结构

\1. 用于抽象Platform设备的数据结构—-“struct platform_device”：

   1: /* include/linux/platform_device.h, line 22 */
   2: struct platform_device {
   3:         const char      *name;
   4:         int             id;
   5:         bool            id_auto; 
   6:         struct device   dev;
   7:         u32             num_resources;
   8:         struct resource *resource;
   9:  
  10:         const struct platform_device_id *id_entry;
  11:         
  12:         /* MFD cell pointer */
  13:         struct mfd_cell *mfd_cell;
  14:  
  15:         /* arch specific additions */
  16:         struct pdev_archdata    archdata;
  17: };

“

该结构的解释如下：

dev，真正的设备（Platform设备只是一个特殊的设备，因此其核心逻辑还是由底层的模块实现）。

name，设备的名称，和struct device结构中的init_name（”Linux设备模型(5)_device和device driver”）意义相同。实际上，该名称在设备注册时，会拷贝到dev.init_name中。

id，用于标识该设备的ID。
在“Linux设备模型(6)_Bus”中有提过，内核允许存在多个名称相同的设备。而设备驱动的probe，依赖于名称，Linux采取的策略是：在bus的设备链表中查找device，和对应的device_driver比对name，如果相同，则查看该设备是否已经绑定了driver（查看其dev->driver指针是否为空），如果已绑定，则不会执行probe动作，如果没有绑定，则以该device的指针为参数，调用driver的probe接口。
因此，在driver的probe接口中，通过判断设备的ID，可以知道此次驱动的设备是哪个。

id_auto，指示在注册设备时，是否自动赋予ID值（不需要人为指定啦，可以懒一点啦）。

num_resources、resource，该设备的资源描述，由struct resource（include/linux/ioport.h）结构抽象。
在Linux中，系统资源包括I/O、Memory、Register、IRQ、DMA、Bus等多种类型。这些资源大多具有独占性，不允许多个设备同时使用，因此Linux内核提供了一些API，用于分配、管理这些资源。
当某个设备需要使用某些资源时，只需利用struct resource组织这些资源（如名称、类型、起始、结束地址等），并保存在该设备的resource指针中即可。然后在设备probe时，设备需求会调用资源管理接口，分配、使用这些资源。而内核的资源管理逻辑，可以判断这些资源是否已被使用、是否可被使用等等。

id_entry，和内核模块相关的内容，暂不说明。

mfd_cell，和MFD设备相关的内容，暂不说明。

archdata，一个奇葩的存在！！它的目的是为了保存一些architecture相关的数据，去看看arch/arm/include/asm/device.h中struct pdev_archdata结构的定义，就知道这种放纵的设计有多么垃圾了。不管它了！！

”

\2. 用于抽象Platform设备驱动的数据结构—-“struct platform_driver”：

   1: /* include/linux/platform_device.h, line 173 */
   2: struct platform_driver {
   3:         int (*probe)(struct platform_device *);
   4:         int (*remove)(struct platform_device *);
   5:         void (*shutdown)(struct platform_device *);
   6:         int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);
   7:         int (*resume)(struct platform_device *);
   8:         struct device_driver driver;
   9:         const struct platform_device_id *id_table;
  10: };

“

struct platform_driver结构和struct device_driver非常类似，无非就是提供probe、remove、suspend、resume等回调函数，这里不再细说。

另外这里有一个id_table的指针，该指针和”Linux设备模型(5)_device和device driver”所描述的of_match_table、acpi_match_table的功能类似：提供其它方式的设备probe。
我们在”Linux设备模型(5)_device和device driver”讲过，内核会在合适的时机检查device和device_driver的名字，如果匹配，则执行probe。其实除了名称之外，还有一些宽泛的匹配方式，例如这里提到的各种match table，具体原理就先不罗嗦了，徒添烦恼！就当没看见，呵呵。

”

3.2 Platform Device提供的API

Platform Device主要提供设备的分配、注册等接口，供其它driver使用，具体包括：

   1: /* include/linux/platform_device.h */
   2: extern int platform_device_register(struct platform_device *);
   3: extern void platform_device_unregister(struct platform_device *);
   4:  
   5: extern void arch_setup_pdev_archdata(struct platform_device *);
   6: extern struct resource *platform_get_resource(struct platform_device *,
   7:                                               unsigned int, unsigned int);
   8: extern int platform_get_irq(struct platform_device *, unsigned int);
   9: extern struct resource *platform_get_resource_byname(struct platform_device *,
  10:                                                      unsigned int,
  11:                                                      const char *);
  12: extern int platform_get_irq_byname(struct platform_device *, const char *);
  13: extern int platform_add_devices(struct platform_device **, int);
  14:  
  15: extern struct platform_device *platform_device_register_full(
  16:                 const struct platform_device_info *pdevinfo);
  17:  
  18: static inline struct platform_device *platform_device_register_resndata(
  19:                 struct device *parent, const char *name, int id,
  20:                 const struct resource *res, unsigned int num,
  21:                 const void *data, size_t size)
  22:  
  23: static inline struct platform_device *platform_device_register_simple(
  24:                 const char *name, int id,
  25:                 const struct resource *res, unsigned int num)
  26:  
  27: static inline struct platform_device *platform_device_register_data(
  28:                 struct device *parent, const char *name, int id,
  29:                 const void *data, size_t size)
  30:  
  31: extern struct platform_device *platform_device_alloc(const char *name, int id);
  32: extern int platform_device_add_resources(struct platform_device *pdev,
  33:                                          const struct resource *res,
  34:                                          unsigned int num);
  35: extern int platform_device_add_data(struct platform_device *pdev,
  36:                                     const void *data, size_t size);
  37: extern int platform_device_add(struct platform_device *pdev);
  38: extern void platform_device_del(struct platform_device *pdev);
  39: extern void platform_device_put(struct platform_device *pdev);

“

platform_device_register、platform_device_unregister，Platform设备的注册/注销接口，和底层的device_register等接口类似。

arch_setup_pdev_archdata，设置platform_device变量中的archdata指针。

platform_get_resource、platform_get_irq、platform_get_resource_byname、platform_get_irq_byname，通过这些接口，可以获取platform_device变量中的resource信息，以及直接获取IRQ的number等等。

platform_device_register_full、platform_device_register_resndata、platform_device_register_simple、platform_device_register_data，其它形式的设备注册。调用者只需要提供一些必要的信息，如name、ID、resource等，Platform模块就会自动分配一个struct platform_device变量，填充内容后，注册到内核中。

platform_device_alloc，以name和id为参数，动态分配一个struct platform_device变量。

platform_device_add_resources，向platform device中增加资源描述。

platform_device_add_data，向platform device中添加自定义的数据（保存在pdev->dev.platform_data指针中）。

platform_device_add、platform_device_del、platform_device_put，其它操作接口。

”

3.3 Platform Driver提供的API

Platform Driver提供struct platform_driver的分配、注册等功能，具体如下：

   1: /* include/linux/platform_device.h */
   2:  
   3: extern int platform_driver_register(struct platform_driver *);
   4: extern void platform_driver_unregister(struct platform_driver *);
   5:  
   6: /* non-hotpluggable platform devices may use this so that probe() and
   7:  * its support may live in __init sections, conserving runtime memory.
   8:  */
   9: extern int platform_driver_probe(struct platform_driver *driver,
  10:                 int (*probe)(struct platform_device *));
  11:  
  12: static inline void *platform_get_drvdata(const struct platform_device *pdev)
  13:  
  14: static inline void platform_set_drvdata(struct platform_device *pdev,
  15:                                         void *data)

“

platform_driver_registe、platform_driver_unregister，platform driver的注册、注销接口。

platform_driver_probe，主动执行probe动作。

platform_set_drvdata、platform_get_drvdata，设置或者获取driver保存在device变量中的私有数据。

”

3.4 懒人API

又是注册platform device，又是注册platform driver，看着挺啰嗦的。不过内核想到了这点，所以提供一个懒人API，可以同时注册platform driver，并分配一个platform device：

   1: extern struct platform_device *platform_create_bundle(
   2:         struct platform_driver *driver, int (*probe)(struct platform_device *),
   3:         struct resource *res, unsigned int n_res,
   4:         const void *data, size_t size);

“

只要提供一个platform_driver（要把driver的probe接口显式的传入），并告知该设备占用的资源信息，platform模块就会帮忙分配资源，并执行probe操作。对于那些不需要热拔插的设备来说，这种方式是最省事的了。

”

3.5 Early platform device/driver

内核启动时，要完成一定的初始化操作之后，才会处理device和driver的注册及probe，因此在这之前，常规的platform设备是无法使用的。但是在Linux中，有些设备需要尽早使用（如在启动过程中充当console输出的serial设备），所以platform模块提供了一种称作Early platform device/driver的机制，允许驱动开发人员，在开发驱动时，向内核注册可在内核早期启动过程中使用的driver。这些机制提供了如下接口：

   1: extern int early_platform_driver_register(struct early_platform_driver *epdrv,
   2:                                           char *buf);
   3: extern void early_platform_add_devices(struct platform_device **devs, int num);
   4:  
   5: static inline int is_early_platform_device(struct platform_device *pdev)
   6: {
   7:         return !pdev->dev.driver;
   8: }
   9:  
  10: extern void early_platform_driver_register_all(char *class_str);
  11: extern int early_platform_driver_probe(char *class_str,
  12:                                        int nr_probe, int user_only);
  13: extern void early_platform_cleanup(void);

“

early_platform_driver_register，注册一个用于Early device的driver。

early_platform_add_devices，添加一个Early device。

is_early_platform_device，判断指定的device是否是Early device。

early_platform_driver_register_all，将指定class的所有driver注册为Early device driver。

early_platform_driver_probe，probe指定class的Early device。

early_platform_cleanup，清除所有的Early device/driver。

”

4. Platform模块的内部动作解析

4.1 Platform模块的初始化

Platform模块的初始化是由drivers/base/platform.c中platform_bus_init接口完成的，该接口的实现和动作如下：

   1: int __init platform_bus_init(void)
   2: {
   3:         int error;
   4:  
   5:         early_platform_cleanup();
   6:  
   7:         error = device_register(&platform_bus);
   8:         if (error)
   9:                 return error;
  10:         error =  bus_register(&platform_bus_type);
  11:         if (error)
  12:                 device_unregister(&platform_bus);
  13:         return error;
  14: }

“

early_platform_cleanup，清除所有和Early device/driver相关的代码。因为执行到这里的时候，证明系统已经完成了Early阶段的启动，转而进行正常的设备初始化、启动操作，所以不再需要Early Platform相关的东西。

device_register，注册一个名称为platform_bus的设备，该设备的定义非常简单，只包含init_name（为“platform”）。该步骤会在sysfs中创建“/sys/devices/platform/”目录，所有的Platform设备，都会包含在此目录下。

bus_register，注册一个名称为platform_bus_type的bus，该bus的定义如下：
struct bus_type platform_bus_type = {
.name = “platform”,
.dev_attrs = platform_dev_attrs,
.match = platform_match,
.uevent = platform_uevent,
.pm = &platform_dev_pm_ops,
};
该步骤会在sysfs中创建“/sys/bus/platform/”目录，同时，结合“Linux设备模型(6)_Bus”的描述，会在“/sys/bus/platform/”目录下，创建uevent attribute（/sys/bus/platform/uevent）、devices目录、drivers目录、drivers_probe和drivers_autoprobe两个attribute（/sys/bus/platform/drivers_probe和/sys/bus/platform/drivers_autoprobe）。

”

4.2 platform device和platform driver的注册

结合第3章的描述，platform device和platform driver的注册，由platform_device_add和platform_driver_register两个接口实际实现。其内部动作分别如下。

platform_device_add的内部动作：

“

如果该设备没有指定父设备，将其父设备设置为platform_bus，即“/sys/devices/platform/”所代表的设备，这时该设备的sysfs目录即为“/sys/devices/platform/xxx_device”。

将该设备的bus指定为platform_bus_type（pdev->dev.bus = &platform_bus_type）。

根据设备的ID，修改或者设置设备的名称。对于多个同名的设备，可以使用ID区分，在这里将实际名称修改为“name.id”的形式。

调用resource模块的insert_resource接口，将该设备需要使用的resource统一管理起来（我们知道，在这之前，只是声明了本设备需要使用哪些resource，但resource模块并不知情，也就无从管理，因此需要告知）。

调用device_add接口，将内嵌的struct device变量添加到内核中。

”

platform_driver_register的内部动作：

“

将该driver的bus指定为platform_bus_type（drv->driver.bus = &platform_bus_type）。

如果该platform driver提供了probe、remove、shutdown等回调函数，将该它内嵌的struct driver变量的probe、remove、shutdown等指针，设置为platform模块提供函数，包括platform_drv_probe、platform_drv_remove和platform_drv_shutdown。因为probe等动作会从struct driver变量开始，经过platform_drv_xxx等接口的转接，就可以到达platform diver自身的回调函数中。

调用driver_register接口，将内嵌的struct driver变量添加到内核中。

”

4.3 platform设备的probe

我们在“Linux设备模型(6)_Bus”中讲过，设备的probe，都发生在向指定的bus添加device或者device_driver时，由bus模块的bus_probe_device，或者device_driver模块driver_attach接口触发。这里就不再详细描述了。

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