讲解一下内核总线架构

对于内核总线来说，大家应该会对Platform总线比较熟悉，知道在Platform总线上会有两个链表，一条链表用来把该总线上的所有设备链接起来，一条链表用来把该总线上的驱动链接起来。

当设备或者驱动添加到链表时，会触发总线的match函数。那么，您有没有深入去研究过内核总线呢?在本文中，我们来深入探讨一下内核中的总线，主要涉及到以下问题：

businessman having questions and concrete wall

1.内核中是如何部署总线的。 2.设备和驱动是如何挂载到总线上的。 3.设备和其对应的驱动是如何通过总线进行匹配的。

1.总线部署

我们从函数start_kernel来分析总线的部署，实际上在函数start_kernel调用之前，会有汇编代码来处理启动参数，启动模式，创建内核空间页表，准备好堆栈等。由于这些同总线部署关系不大，暂且就认为start_kernel就是内核的main函数。start_kernel内部会调用rest_init，rest_init函数内部创建内核线程kernel_init，而kernel_init中有如下的函数调用过程：

kernel_init-->do_basic_setup->driver_init—>buses_init和platform_bus_init

此处的buses_init和platform_bus_init就是总线的部署函数，也是本小节的重点，且buses_init必须在platform_bus_init前面调用。因为Platform总线是挂载在bus总线下的，接下来我们详细分析下这两个过程。

buses_init

内核中所有的对象如bus，都是一个kobject，而把相同类型的kobject集合到一起就组成了一个kset，而函数buses_init内部就是通过bus_kset = kset_create_and_add(“bus”, &bus_uevent_ops, NULL)来注册bus总线对应的kset，其最后bus_kset如下图1所示：

图 1 bus_kset结构

至此算是准备好了bus_kset，我们继续往下看一下其他类型的总线是如何和bus进行关联的。

platform_bus_init

该函数主要完成两个功能，其函数如下：

struct bus_type platform_bus_type = {
   .name       = "platform",
   .dev_attrs  = platform_dev_attrs,
   .match      = platform_match,
   .uevent     = platform_uevent,
   .pm     = &platform_dev_pm_ops,
};
EXPORT_SYMBOL_GPL(platform_bus_type);
int __init platform_bus_init(void)
{
   int error;

   early_platform_cleanup();

   error = device_register(&platform_bus);
   if (error)
       return error;
   error =  bus_register(&platform_bus_type);
   if (error)
       device_unregister(&platform_bus);
   return error;
}

device_register是用来注册一个device，并添加到系统中，最后会在/sys/devices/目录下建立 platform目录对应的设备对象，其路径是/sys/devices/platform/。

bus_register是将Platform bus总线注册进系统，其实内部就是创建了对应的kset和kobject等，且主要完成以下三项工作：

初始化必须的结构体，struct subsys_private 和对应的kobkect。 同bus总线建立关系，kobject.parent 设置为上一步已经创建好的bus_kset.kobj, kobject.kset设置为bus_kset,把对应的kobject.ktype设置为bus_ktype。 把对应的kobjet添加到对应的kset的链表中，对总线来说，就是添加到bus_kset中的链表中。 下面是bus_register函数的实现(删除了创建失败退出时free内存等的操作)，且我在代码中增加了注释，方便大家查阅：

/**
* bus_register - register a bus with the system.
* @bus: bus.
*
* Once we have that, we registered the bus with the kobject
* infrastructure, then register the children subsystems it has:
* the devices and drivers that belong to the bus.
*/
int bus_register(struct bus_type *bus)
{
   int retval;
   //step:创建并分配，初始化struct subsys_private结构体指针
   struct subsys_private *priv;
   priv = kzalloc(sizeof(struct subsys_private), GFP_KERNEL);
   if (!priv)
       return -ENOMEM;
   priv->bus = bus;
   bus->p = priv;
   BLOCKING_INIT_NOTIFIER_HEAD(&priv->bus_notifier);
   retval = kobject_set_name(&priv->subsys.kobj, "%s", bus->name);
   if (retval)
       goto out;

//step2：同上面创建的bus_kset进行关联
//kset_register时，会设置对应priv->subsys。Kobject->parent = bus_kset.kobj
   priv->subsys.kobj.kset = bus_kset;
   priv->subsys.kobj.ktype = &bus_ktype;
   priv->drivers_autoprobe = 1;
   retval = kset_register(&priv->subsys); //一会添加到bus_kset链表中
   if (retval)
       goto out;
   //step3：创建对应的属性文件
   retval = bus_create_file(bus, &bus_attr_uevent);
   if (retval)
       goto bus_uevent_fail;

   priv->devices_kset = kset_create_and_add("devices", NULL,
                        &priv->subsys.kobj);
   if (!priv->devices_kset) {
       retval = -ENOMEM;
       goto bus_devices_fail;
   }

   priv->drivers_kset = kset_create_and_add("drivers", NULL,
                        &priv->subsys.kobj);
   if (!priv->drivers_kset) {
       retval = -ENOMEM;
       goto bus_drivers_fail;
   }
   //step4:初始化两个比较重要的链表，后面内容中会提到这两个链表
   klist_init(&priv->klist_devices, klist_devices_get, klist_devices_put);
   klist_init(&priv->klist_drivers, NULL, NULL);
   
   //step5:添加探针文件
   retval = add_probe_files(bus);
   if (retval)
       goto bus_probe_files_fail;

   retval = bus_add_attrs(bus);
   if (retval)
       goto bus_attrs_fail;

   pr_debug("bus: '%s': registered\n", bus->name);
   return 0;
   ……
   return retval;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(bus_register);

对于其他总线(如IIC等)，也是通过bus_register进行注册的，比如bus_register(&i2c_bus_type)和bus_register(&mmc_bus_type)等，其原理同上面一样，在此就不挨个介绍了。

通过上面的分析，我们知道了bus总线，且其他总线挂载在bus总线下，等总线部署完成后，不同设备会挂载在对应的总线下面。对于SPI，IIC等设备，他们都可以挂载在对应的总线下同CPU进行数据交互。但在嵌入式系统中，有些设备是不属于这些常见的总线，因此引入了虚拟的Platform总线，本小节正是通过虚拟的Platform总线来说明总线部署的。

2.设备和驱动的挂载

我们依然采用Platform总线来说明设备和驱动的挂载问题。

设备挂载

对于Platform总线来说，可以通过函数platform_device_register来挂载(有的地方称之为注册)设备，也可以通过设备树来挂载，在内核启动时，会进行设备树的解析，本文中不涉及设备树，主要介绍platform_device_register的方式。

该函数原型如下：

int platform_device_register(struct platform_device *pdev)
{
   device_initialize(&pdev->dev);
   return platform_device_add(pdev);
}

函数在执行的过程中，有如下调用关系：

platform_device_add—->设置struct platform_device中的总线类型及其他参数—>device_add—>bus_add_device—->klist_add_tail

这个调用过程省略了一些属性和节点等的处理，我关注的重点在函数klist_add_tail，该函数是把当前设备添加到platform_bus中的一个链表中，这个链表在Platform总线部署时就初始化完成了，其初始化函数就是函数bus_register中的step4，可以翻阅上一个小节来查看。

驱动挂载

对于Platform总线来说，可以通过函数platform_driver_register来挂载(有的地方称之为注册)设备，其函数原型如下：

int platform_driver_register(struct platform_driver *drv)
{
   drv->driver.bus = &platform_bus_type;
   if (drv->probe)
       drv->driver.probe = platform_drv_probe;
   if (drv->remove)
       drv->driver.remove = platform_drv_remove;
   if (drv->shutdown)
       drv->driver.shutdown = platform_drv_shutdown;

   return driver_register(&drv->driver);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(platform_driver_register);

函数在执行的过程中，有如下调用关系：

driver_register—> 设置对应的参数等—->driver_find—> bus_add_driver—-> klist_add_tail

相对于设备挂载，多了一个函数driver_find的调用，该函数主要目的就是判断驱动是否已经挂载上了，其余处理方式同设备挂载相同。最为重要的依然是klist_add_tail，把该驱动添加到了platform_bus中的一个链表中。

其他类型的总线设备和驱动相同，也会存在两个链表，设备和驱动均挂载到相应的链表中。

3.设备和驱动的匹配

从第2小节中，我们知道Platform总线下有两个链表，我采用下面的图来具体化这两个链表，图左边的设备链表，图中仅呈现3个设备，实际上会有很多，图右边为驱动链表。不管是左边的设备还是右边的驱动，均有name字段(通常情况下是compatible)，这是个非常重要的字段，后面我们会用到它。

图 2Platform总线的两个链表

针对匹配问题，我依然采用Platform总线来阐述，我们已经知道在进行驱动挂载时，会调用函数bus_add_driver，该函数内核实际上还会调用一个函数driver_attach(针对设置drivers_autoprobe的情况)，下面是函数driver_attach的调用情况：

driver_attach
--->bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach)
---> klist_iter_init_node(&bus->p->klist_devices, &i, (start ? &start->p->knode_bus : NULL));
  while ((dev = next_device(&i)) && !error)
     error = fn(dev, data);
  --->driver_match_device
    ---> drv->bus->match
      ---> platform_match

从上面代码过程可以看出，当挂载驱动时，会遍历图2中左边的链表，最后调用Platform总线的match函数platform_match (match函数是在struct bus_type platform_bus_type中设置的，在总线部署时阶段调用platform_bus_init就设置好了)来进行设备和驱动的匹配。每个总线都会有自己的match函数，且match函数里面会通过多种方式匹配，如常见的compitable，name或者id_table，只要有一个能匹配上，则认为驱动和设备匹配成功。

总结

本文主要采用Platform来说明了内核中总线部署，设备和驱动挂载，及设备和驱动的匹配问题，实际上其他总线也是采用相同的方式，在我的描述过程中，重点在于总线，忽略了一些sysfs节点，引用计数，kobject，kset等，但这些在内核架构中也是比较重要的环节，希望大家在了解总线架构后，也能有时间去深入查看内核总线的各个处理细节。

特别说明：不同的内核，可能使用到的函数，或者函数的实现同文章中介绍的存在出入，但其原理及架构相同，可以作为参考。

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