Linux裝置模型(6)_Bus

原文位址：http://www.wowotech.net/device_model/bus.html

1. 概述

在Linux裝置模型中，Bus（總線）是一類特殊的裝置，它是連接配接處理器和其它裝置之間的通道（channel）。為了友善裝置模型的實作，核心規定，系統中的每個裝置都要連接配接在一個Bus上，這個Bus可以是一個内部Bus、虛拟Bus或者Platform Bus。

核心通過struct bus_type結構，抽象Bus，它是在include/linux/device.h中定義的。本文會圍繞該結構，描述Linux核心中Bus的功能，以及相關的實作邏輯。最後，會簡單的介紹一些标準的Bus（如Platform），介紹它們的用途、它們的使用場景。

2. 功能說明

按照老傳統，描述功能前，先介紹一下該子產品的一些核心資料結構，對bus子產品而言，核心資料結構就是struct bus_type，另外，還有一個sub system相關的結構，會一并說明。

2.1 struct bus_type

1: /* inlcude/linux/device.h, line 93 */

2: struct bus_type {

3:     const char *name;

4:     const char *dev_name;

5:     struct device       *dev_root;

6:     struct bus_attribute    *bus_attrs;

7:     struct device_attribute *dev_attrs;

8:     struct driver_attribute *drv_attrs;

9:

10:    int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);

11:    int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);

12:    int (*probe)(struct device *dev);

13:    int (*remove)(struct device *dev);

14:    void (*shutdown)(struct device *dev);

15:

16:    int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);

17:    int (*resume)(struct device *dev);

18:

19:    const struct dev_pm_ops *pm;

20:

21:    struct iommu_ops *iommu_ops;

22:

23:    struct subsys_private *p;

24:    struct lock_class_key lock_key;

25: };

name，該bus的名稱，會在sysfs中以目錄的形式存在，如platform bus在sysfs中表現為"/sys/bus/platform”。

dev_name，該名稱和"Linux裝置模型(5)_device和device driver”所講述的struct device結構中的init_name有關。對有些裝置而言（例如批量化的USB裝置），設計者根本就懶得為它起名字的，而核心也支援這種懶惰，允許将裝置的名字留白。這樣當裝置注冊到核心後，裝置模型的核心邏輯就會用"bus->dev_name+device ID”的形式，為這樣的裝置生成一個名稱。

bus_attrs、dev_attrs、drv_attrs，一些預設的attribute，可以在bus、device或者device_driver添加到核心時，自動為它們添加相應的attribute。

dev_root，根據核心的注釋，dev_root裝置為bus的預設父裝置（Default device to use as the parent），但在核心實際實作中，隻和一個叫sub system的功能有關，随後會介紹。

match，一個由具體的bus driver實作的回調函數。當任何屬于該Bus的device或者device_driver添加到核心時，核心都會調用該接口，如果新加的device或device_driver比對上了自己的另一半的話，該接口要傳回非零值，此時Bus子產品的核心邏輯就會執行後續的處理。

uevent，一個由具體的bus driver實作的回調函數。當任何屬于該Bus的device，發生添加、移除或者其它動作時，Bus子產品的核心邏輯就會調用該接口，以便bus driver能夠修改環境變量。

probe、remove，這兩個回調函數，和device_driver中的非常類似，但它們的存在是非常有意義的。可以想象一下，如果需要probe（其實就是初始化）指定的device話，需要保證該device所在的bus是被初始化過、確定能正确工作的。這就要就在執行device_driver的probe前，先執行它的bus的probe。remove的過程相反。

注1：并不是所有的bus都需要probe和remove接口的，因為對有些bus來說（例如platform bus），它本身就是一個虛拟的總線，無所謂初始化，直接就能使用，是以這些bus的driver就可以将這兩個回調函數留白。

shutdown、suspend、resume，和probe、remove的原理類似，電源管理相關的實作，暫不說明。

pm，電源管理相關的邏輯，暫不說明。

iommu_ops，暫不說明。

p，一個struct subsys_private類型的指針，後面我們會用一個小節說明。

2.2 struct subsys_private

該結構和device_driver中的struct driver_private類似，在"Linux裝置模型(5)_device和device driver”章節中有提到它，但沒有詳細說明。

要說明subsys_private的功能，讓我們先看一下該結構的定義：

1: /* drivers/base/base.h, line 28 */

2: struct subsys_private {

3:     struct kset subsys;

4:     struct kset *devices_kset;

5:     struct list_head interfaces;

6:     struct mutex mutex;

7:

8:     struct kset *drivers_kset;

9:     struct klist klist_devices;

10:    struct klist klist_drivers;

11:    struct blocking_notifier_head bus_notifier;

12:    unsigned int drivers_autoprobe:1;

13:    struct bus_type *bus;

14:

15:    struct kset glue_dirs;

16:    struct class *class;

17: };

看到結構内部的字段，就清晰多了，沒事不要亂起名字嘛！什麼subsys啊，看的暈暈的！不過還是試着先了解一下為什麼起名為subsys吧：

按理說，這個結構就是集合了一些bus子產品需要使用的私有資料，例如kset啦、klist啦等等，命名為bus_private會好點（就像device_driver子產品一樣）。不過為什麼核心沒這麼做呢？看看include/linux/device.h中的struct class結構（我們會在下一篇文章中介紹class）就知道了，因為class結構中也包含了一個一模一樣的struct subsys_private指針，看來class和bus很相似啊。

想到這裡，就好了解了，無論是bus，還是class，還是我們會在後面看到的一些虛拟的子系統，它都構成了一個“子系統（sub-system）”，該子系統會包含形形色色的device或device_driver，就像一個獨立的王國一樣，存在于核心中。而這些子系統的表現形式，就是/sys/bus（或/sys/class，或其它）目錄下面的子目錄，每一個子目錄，都是一個子系統（如/sys/bus/spi/）。

好了，我們回過頭來看一下struct subsys_private中各個字段的解釋：

subsys、devices_kset、drivers_kset是三個kset，由"Linux裝置模型(2)_Kobject”中對kset的描述可知，kset是一個特殊的kobject，用來集合相似的kobject，它在sysfs中也會以目錄的形式展現。其中subsys，代表了本bus（如/sys/bus/spi），它下面可以包含其它的kset或者其它的kobject；devices_kset和drivers_kset則是bus下面的兩個kset（如/sys/bus/spi/devices和/sys/bus/spi/drivers），分别包括本bus下所有的device和device_driver。

interface是一個list head，用于儲存該bus下所有的interface。有關interface的概念後面會詳細介紹。

klist_devices和klist_drivers是兩個連結清單，分别儲存了本bus下所有的device和device_driver的指針，以友善查找。

drivers_autoprobe，用于控制該bus下的drivers或者device是否自動probe，"Linux裝置模型(5)_device和device driver”中有提到。

bus和class指針，分别儲存上層的bus或者class指針。

2.3 功能總結

根據上面的核心資料結構，可以總結出bus子產品的功能包括：

bus的注冊和登出
本bus下有device或者device_driver注冊到核心時的處理
本bus下有device或者device_driver從核心登出時的處理
device_drivers的probe處理
管理bus下的所有device和device_driver

3. 内部執行邏輯分析

3.1 bus的注冊

bus的注冊是由bus_register接口實作的，該接口的原型是在include/linux/device.h中聲明的，并在drivers/base/bus.c中實作，其原型如下：

1: /* include/linux/device.h, line 118 */

2: extern int __must_check bus_register(struct bus_type *bus);

該功能的執行邏輯如下：

為bus_type中struct subsys_private類型的指針配置設定空間，并更新priv->bus和bus->p兩個指針為正确的值

初始化priv->subsys.kobj的name、kset、ktype等字段，啟動name就是該bus的name（它會展現在sysfs中），kset和ktype由bus子產品實作，分别為bus_kset和bus_ktype

調用kset_register将priv->subsys注冊到核心中，該接口同時會向sysfs中添加對應的目錄（如/sys/bus/spi）

調用bus_create_file向bus目錄下添加一個uevent attribute（如/sys/bus/spi/uevent）

調用kset_create_and_add分别向核心添加devices和device_drivers kset，同時會展現在sysfs中

初始化priv指針中的mutex、klist_devices和klist_drivers等變量

調用add_probe_files接口，在bus下添加drivers_probe和drivers_autoprobe兩個attribute（如/sys/bus/spi/drivers_probe和/sys/bus/spi/drivers_autoprobe），其中drivers_probe允許使用者空間程式主動出發指定bus下的device_driver的probe動作，而drivers_autoprobe控制是否在device或device_driver添加到核心時，自動執行probe

調用bus_add_attrs，添加由bus_attrs指針定義的bus的預設attribute，這些attributes最終會展現在/sys/bus/xxx目錄下

3.2 device和device_driver的添加

我們有在"Linux裝置模型(5)_device和device driver”中講過，核心提供了device_register和driver_register兩個接口，供各個driver子產品使用。而這兩個接口的核心邏輯，是通過bus子產品的bus_add_device和bus_add_driver實作的，下面我們看看這兩個接口的處理邏輯。

這兩個接口都是在drivers/base/base.h中聲明，在drivers/base/bus.c中實作，其原型為：

1: /* drivers/base/base.h, line 106 */

2: extern int bus_add_device(struct device *dev);

3:

5: extern int bus_add_driver(struct device_driver *drv);

bus_add_device的處理邏輯：

調用内部的device_add_attrs接口，将由bus->dev_attrs指針定義的預設attribute添加到核心中，它們會展現在/sys/devices/xxx/xxx_device/目錄中

調用sysfs_create_link接口，将該device在sysfs中的目錄，連結到該bus的devices目錄下，例如：

xxx# ls /sys/bus/spi/devices/spi1.0 -l

lrwxrwxrwx root     root              2014-04-11 10:46 spi1.0 -> ../../../devices/platform/s3c64xx-spi.1/spi_master/spi1/spi1.0

其中/sys/devices/…/spi1.0，為該device在sysfs中真正的位置，而為了友善管理，核心在該裝置所在的bus的xxx_bus/devices目錄中，建立了一個符号連結

調用sysfs_create_link接口，在該裝置的sysfs目錄中（如/sys/devices/platform/alarm/）中，建立一個指向該裝置所在bus目錄的連結，取名為subsystem，例如：

xxx # ls /sys/devices/platform/alarm/subsystem -l

lrwxrwxrwx root     root              2014-04-11 10:28 subsystem -> ../../../bus/platform

最後，毫無疑問，要把該裝置指針儲存在bus->priv->klist_devices中

bus_add_driver的處理邏輯：

為該driver的struct driver_private指針（priv）配置設定空間，并初始化其中的priv->klist_devices、priv->driver、priv->kobj.kset等變量，同時将該指針儲存在device_driver的p處

将driver的kset（priv->kobj.kset）設定為bus的drivers kset（bus->p->drivers_kset），這就意味着所有driver的kobject都位于bus->p->drivers_kset之下（寄/sys/bus/xxx/drivers目錄下）

以driver的名字為參數，調用kobject_init_and_add接口，在sysfs中注冊driver的kobject，展現在/sys/bus/xxx/drivers/目錄下，如/sys/bus/spi/drivers/spidev

将該driver儲存在bus的klist_drivers連結清單中，并根據drivers_autoprobe的值，選擇是否調用driver_attach進行probe

調用driver_create_file接口，在sysfs的該driver的目錄下，建立uevent attribute

調用driver_add_attrs接口，在sysfs的該driver的目錄下，建立由bus->drv_attrs指針定義的預設attribute

同時根據suppress_bind_attrs标志，決定是否在sysfs的該driver的目錄下，建立bind和unbind attribute（具體可參考"Linux裝置模型(5)_device和device driver”中的介紹）

3.3 driver的probe

我們在"Linux裝置模型(5)_device和device driver”中，我們已經介紹過driver的probe時機及過程，其中大部分的邏輯會依賴bus子產品的實作，主要為bus_probe_device和driver_attach接口。同樣，這兩個接口都是在drivers/base/base.h中聲明，在drivers/base/bus.c中實作。

這兩個結構的行為類似，邏輯也很簡單，既：搜尋所在的bus，比對是否有同名的device_driver（或device），如果有并且該裝置沒有綁定Driver（注：這一點很重要，通過它，可以使同一個Driver，驅動相同名稱的多個裝置，後續在Platform裝置的描述中會提及）則調用device_driver的probe接口。

4. 雜項

4.1 再談Subsystem

在舊的Linux核心版本中（以蝸蝸使用的linux2.6.23版本的核心為例），sysfs下所有的頂層目錄（包括一些二級目錄）都是以調用subsystem_register接口，以sub-system的形式注冊到核心的，如：

/sys/bus/

/sys/devices/

/sys/devices/system/

/sys/block

/sys/kernel/

/sys/slab/

…

那時的subsystem_register的實作很簡單，就是調用kset_register，建立一個kset。我們知道，kset就是一堆kobject的集合，并會在sysfs中以目錄的形式呈現出來。

在新版本的核心中（如“Linux核心分析”系列文章所參考的linux3.10.29），subsystem的實作有了很大變化，例如：去掉了subsystem_register接口（但為了相容/sys/device/system子系統，在drivers/base/bus.c中，增加了一個subsys_register的内部接口，用于實作相應的功能）。根據這些變化，現在注冊subsystem有兩種方式：

方式一，在各自的初始化函數中，調用kset_create_and_add接口，建立對應的子系統，包括：

bus子系統，/sys/bus/，buses_init（drivers/base/bus.c）
class子系統，/sys/class
kernel子系統，/sys/kernel
firmware子系統，/sys/firmware
等等

其中bus子系統就是本文所講的Bus子產品，而其它的，我們會在後續的文章中陸續講述。這個方式和舊版本核心使用kset_register接口的方式基本一樣。

方式二，在bus子產品中，利用subsys_register接口，封裝出兩個API：subsys_system_register和subsys_virtual_register，分别用于注冊system裝置(/sys/devices/system/*)和virtual裝置(/sys/devices/virtual/*)。而該方式和方式一的差別是：它不僅僅建立了sysfs中的目錄，同時會注冊同名的bus和device。

4.2 system/virtual/platform

在Linux核心中，有三種比較特殊的bus（或者是子系統），分别是system bus、virtual bus和platform bus。它們并不是一個實際存在的bus（像USB、I2C等），而是為了友善裝置模型的抽象，而虛構的。

system bus是舊版核心提出的概念，用于抽象系統裝置（如CPU、Timer等等）。而新版核心認為它是個壞點子，因為任何裝置都應歸屬于一個普通的子系統（New subsystems should use plain subsystems, drivers/base/bus.c, line 1264），是以就把它抛棄了（不建議再使用，它的存在隻為相容舊有的實作）。

virtaul bus是一個比較新的bus，主要用來抽象那些虛拟裝置，所謂的虛拟裝置，是指不是真實的硬體裝置，而是用軟體模拟出來的裝置，例如虛拟機中使用的虛拟的網絡裝置（有關該bus的描述，可參考該連結處的解釋：https://lwn.net/Articles/326540/）。

platform bus就比較普通，它主要抽象內建在CPU（SOC）中的各種裝置。這些裝置直接和CPU連接配接，通過總線尋址和中斷的方式，和CPU互動資訊。

我們會在後續的文章中，進一步分析這些特殊的bus，這裡就暫時不較長的描述了。

4.3 subsys interface

subsys interface是一個很奇怪的東西，除非有一個例子，否則很難了解。代碼中是這樣注釋的：

Interfaces usually represent a specific functionality of a subsystem/class of devices.

字面上了解，它抽象了bus下所有裝置的一些特定功能。 kernel使用struct subsys_interface結構抽象subsys interface，并提供了subsys_interface_register/subsys_interface_unregister用于注冊/登出subsys interface，bus下所有的interface都挂載在struct subsys_private變量的“interface”連結清單上（具體可參考2.2小節的描述）。struct subsys_interface的定義如下：

  /**       
       * struct subsys_interface - interfaces to device functions       
       * @name:       name of the device function       
       * @subsys:     subsytem of the devices to attach to       
       * @node:       the list of functions registered at the subsystem       
       * @add_dev:    device hookup to device function handler       
       * @remove_dev: device hookup to device function handler       
       *       
       * Simple interfaces attached to a subsystem. Multiple interfaces can       
       * attach to a subsystem and its devices. Unlike drivers, they do not       
       * exclusively claim or control devices. Interfaces usually represent       
       * a specific functionality of a subsystem/class of devices.       
       */       
       struct subsys_interface {       
       const char *name;       
       struct bus_type *subsys;       
       struct list_head node;       
       int (*add_dev)(struct device *dev, struct subsys_interface *sif);       
       int (*remove_dev)(struct device *dev, struct subsys_interface *sif);       
       };

name，interface的名稱。

subsys，interface所屬的bus。

node，用于将interface挂到bus中。

add_dev/remove_dev，兩個回調函數，subsys interface的核心功能。當bus下有裝置增加或者删除的時候，bus core會調用它下面所有subsys interface的add_dev或者remove_dev回調。設計者可以在這兩個回調函數中實作所需功能，例如綁定該“specific functionality”所對應的driver，等等。

Linux裝置模型(6)_Bus

1. 概述

2. 功能說明

2.1 struct bus_type

2.2 struct subsys_private

2.3 功能總結

3. 内部執行邏輯分析

3.1 bus的注冊

3.2 device和device_driver的添加

3.3 driver的probe

4. 雜項

4.1 再談Subsystem

4.2 system/virtual/platform

subsys interface是一個很奇怪的東西，除非有一個例子，否則很難了解。代碼中是這樣注釋的：

Interfaces usually represent a specific functionality of a subsystem/class of devices.

name，interface的名稱。

subsys，interface所屬的bus。

node，用于将interface挂到bus中。

subsys interface的實作邏輯比較簡單，這裡不再較長的描述了，具體可參考“drivers/base/bus.c”中相應的代碼。另外，後續分析cpufreq framework的時候，會遇到使用subsys interface的例子，到時候我們再進一步了解它的現實意義。

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