詳解Linux設備模型(6)_Bus

1. 概述

#在Linux設備模型中，Bus（匯流排）是一類特殊的設備，它是連接處理器和其他設備之間的通道（channel）。為了方便設備模型的實現，核心規定，系統中的每個設備都要連接在一個Bus上，這個Bus可以是一個內部Bus、虛擬Bus或是Platform Bus。

#核心透過結構體struct bus_type，對Bus進行抽象，它是在include/linux/device.h中定義的。本文將圍繞該結構體，描述Linux核心中Bus的功能，以及相關的實作邏輯。最後，我們會簡單介紹一些標準的Bus（如Platform），並介紹它們的用途和使用場景。

2. 功能說明

#依照慣例，我們在介紹功能之前先介紹一些核心資料結構。對於Bus模組而言，核心資料結構是結構體struct bus_type，此外還有一個與子系統相關的結構體，我們也將一併介紹。

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。對有些設備而言（例如批量化的USB設備），設計者根本就懶得為它起名字的，而內核也支持這種懶惰，允許將設備的名字留空。這樣當裝置註冊到核心後，裝置模型的核心邏輯就會用」bus->dev_name device ID」的形式，為這樣的裝置產生一個名稱。

bus_attrs、dev_attrs、drv_attrs，一些預設的attribute，可以在bus、device或device_driver新增到核心時，自動為它們新增對應的attribute。

dev_root，根據核心的註釋，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，只和一個叫sub system的功能有關，隨後會介紹。

match，一個由具體的bus driver實現的回呼函數。當任何屬於該Bus的device或device_driver添加到內核時，內核都會調用該接口，如果新加的device或device_driver匹配上了自己的另一半的話，該接口要返回非零值，此時Bus模組的核心邏輯就會執行後續的處理。

uevent，一個由具體的bus driver實作的回呼函數。當任何屬於該Bus的device，發生新增、移除或其它動作時，Bus模組的核心邏輯就會呼叫該接口，以便bus driver能夠修改環境變數。

probe、remove，這兩個回呼函數，和device_driver中的非常類似，但它們的存在是非常有意義的。可以想像一下，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、確保能正確運作的。這就要就在執行device_driver的probe前，先執行它的bus的probe。 remove的過程則相反。
註1：並不是所有的bus都需要probe和remove介面的，因為對有些bus來說（例如platform bus），它本身就是一個虛擬的總線，無所謂初始化，直接就能使用，因此這些bus的driver就可以將這兩個回呼函數留空。

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

」

#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。

要说明subsys_private的功能，让我们先看一下该结构的定义：

 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: };

看到结构内部的字段，就清晰多了，没事不要乱起名字嘛！什么subsys啊，看的晕晕的！不过还是试着先理解一下为什么起名为subsys吧：

按理说，这个结构就是集合了一些bus模块需要使用的私有数据，例如kset啦、klist啦等等，命名为bus_private会好点（就像device_driver模块一样）。不过为什么内核没这么做呢？看看include/linux/device.h中的struct class结构（我们会在下一篇文章中介绍class）就知道了，因为class结构中也包含了一个一模一样的struct subsys_private指针，看来class和bus很相似啊。

想到这里，就好理解了，无论是bus，还是class，还是我们会在后面看到的一些虚拟的子系统，它都构成了一个“子系统（sub-system）”，该子系统会包含形形色色的device或device_driver，就像一个独立的王国一样，存在于内核中。而这些子系统的表现形式，就是/sys/bus（或/sys/class，或其它）目录下面的子目录，每一个子目录，都是一个子系统（如/sys/bus/spi/）。

好了，我们回过头来看一下struct subsys_private中各个字段的解释：

“

subsys、devices_kset、drivers_kset是三个kset，由”Linux设备模型(2)_Kobject”中对kset的描述可知，kset是一个特殊的kobject，用来集合相似的kobject，它在sysfs中也会以目录的形式体现。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则是bus下面的两个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是一个list head，用于保存该bus下所有的interface。有关interface的概念后面会详细介绍。

klist_devices和klist_drivers是两个链表，分别保存了本bus下所有的device和device_driver的指针，以方便查找。

drivers_autoprobe，用于控制该bus下的drivers或者device是否自动probe，”Linux设备模型(5)_device和device driver”中有提到。

bus和class指针，分别保存上层的bus或者class指针。

”

2.3 功能总结

根据上面的核心数据结构，可以总结出bus模块的功能包括：

• bus的注册和注销
• 本bus下有device或者device_driver注册到内核时的处理
• 本bus下有device或者device_driver从内核注销时的处理
• device_drivers的probe处理
• 管理bus下的所有device和device_driver

3. 内部执行逻辑分析

3.1 bus的注册

bus的注册是由bus_register接口实现的，该接口的原型是在include/linux/device.h中声明的，并在drivers/base/bus.c中实现，其原型如下：

 1: /* include/linux/device.h, line 118 */
 2: extern int __must_check bus_register(struct bus_type *bus);

“

该功能的执行逻辑如下：

• 为bus_type中struct subsys_private类型的指针分配空间，并更新priv->bus和bus->p两个指针为正确的值
• 初始化priv->subsys.kobj的name、kset、ktype等字段，启动name就是该bus的name（它会体现在sysfs中），kset和ktype由bus模块实现，分别为bus_kset和bus_ktype
• 调用kset_register将priv->subsys注册到内核中，该接口同时会向sysfs中添加对应的目录（如/sys/bus/spi）
• 调用bus_create_file向bus目录下添加一个uevent attribute（如/sys/bus/spi/uevent）
• 调用kset_create_and_add分别向内核添加devices和device_drivers kset，同时会体现在sysfs中
• 初始化priv指针中的mutex、klist_devices和klist_drivers等变量
• 调用add_probe_files接口，在bus下添加drivers_probe和drivers_autoprobe两个attribute（如/sys/bus/spi/drivers_probe和/sys/bus/spi/drivers_autoprobe），其中drivers_probe允许用户空间程序主动出发指定bus下的device_driver的probe动作，而drivers_autoprobe控制是否在device或device_driver添加到内核时，自动执行probe
• 调用bus_add_attrs，添加由bus_attrs指针定义的bus的默认attribute，这些attributes最终会体现在/sys/bus/xxx目录下

”

3.2 device和device_driver的添加

我们有在”Linux设备模型(5)_device和device driver”中讲过，内核提供了device_register和driver_register两个接口，供各个driver模块使用。而这两个接口的核心逻辑，是通过bus模块的bus_add_device和bus_add_driver实现的，下面我们看看这两个接口的处理逻辑。

这两个接口都是在drivers/base/base.h中声明，在drivers/base/bus.c中实现，其原型为：

 1: /* drivers/base/base.h, line 106 */
 2: extern int bus_add_device(struct device *dev);
 3:  
 4: /* drivers/base/base.h, line 110 */ 
 5: extern int bus_add_driver(struct device_driver *drv);

“

bus_add_device的处理逻辑：

• 调用内部的device_add_attrs接口，将由bus->dev_attrs指针定义的默认attribute添加到内核中，它们会体现在/sys/devices/xxx/xxx_device/目录中

• 调用sysfs_create_link接口，将该device在sysfs中的目录，链接到该bus的devices目录下，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，为该device在sysfs中真正的位置，而为了方便管理，内核在该设备所在的bus的xxx_bus/devices目录中，创建了一个符号链接

• 调用sysfs_create_link接口，在该设备的sysfs目录中（如/sys/devices/platform/alarm/）中，创建一个指向该设备所在bus目录的链接，取名为subsystem，例如：

  xxx # ls /sys/devices/platform/alarm/subsystem -l
  lrwxrwxrwx root root 2014-04-11 10:28 subsystem -> ../../../bus/platform

• 最后，毫无疑问，要把该设备指针保存在bus->priv->klist_devices中

bus_add_driver的处理逻辑：

• 為該driver的struct driver_private指標（priv）分配空間，並初始化其中的priv->klist_devices、priv->driver、priv->kobj.kset等變量，同時將該指針保存在device_driver的p處
• # 將driver的kset（priv->kobj.kset）設定為bus的drivers kset（bus->p->drivers_kset），這意味著所有driver的kobject都位於bus->p->drivers_kset之下（寄/ sys/bus/xxx/drivers目錄下）
• 以driver的名字為參數，呼叫kobject_init_and_add接口，在sysfs中註冊driver的kobject，體現在/sys/bus/xxx/drivers/目錄下，如/sys/bus/spi/drivers/spidev
• 將該driver保存在bus的klist_drivers鍊錶中，並根據drivers_autoprobe的值，選擇是否呼叫driver_attach進行probe
• 呼叫driver_create_file接口，在sysfs的該driver的目錄下，建立uevent attribute
• 呼叫driver_add_attrs接口，在sysfs的該driver的目錄下，建立由bus->drv_attrs指標定義的預設attribute
• 同時根據suppress_bind_attrs標誌，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模組的實現，主要為bus_probe_device和driver_attach介面。同樣，這兩個介面都是在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），如果有並且該設備沒有綁定Driver（註：這一點很重要，透過它，可以使同一個Driver，驅動相同名稱的多個設備，後續在Platform設備的描述中會提及）則調用device_driver的probe介面。

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）都是以呼叫subsystem_register接口，以sub-system的形式註冊到內核的，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，就是呼叫kset_register，建立一個kset。我們知道，kset就是一堆kobject的集合，並會在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介面（但為了相容/sys/device/ system子系統，在drivers/base/bus.c中，增加了一個subsys_register的內部接口，用於實現相應的功能）。根據這些變化，現在註冊subsystem有兩種方式：

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

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

其中bus子系统就是本文所讲的Bus模块，而其它的，我们会在后续的文章中陆续讲述。这个方式和旧版本内核使用kset_register接口的方式基本一样。

方式二，在bus模块中，利用subsys_register接口，封装出两个API：subsys_system_register和subsys_virtual_register，分别用于注册system设备(/sys/devices/system/)和virtual设备(/sys/devices/virtual/)。 而该方式和方式一的区别是：它不仅仅创建了sysfs中的目录，同时会注册同名的bus和device。

4.2 system/virtual/platform

在Linux内核中，有三种比较特殊的bus（或者是子系统），分别是system bus、virtual bus和platform bus。它们并不是一个实际存在的bus（像USB、I2C等），而是为了方便设备模型的抽象，而虚构的。

system bus是旧版内核提出的概念，用于抽象系统设备（如CPU、Timer等等）。而新版内核认为它是个坏点子，因为任何设备都应归属于一个普通的子系统（New subsystems should use plain subsystems, drivers/base/bus.c, line 1264），所以就把它抛弃了（不建议再使用，它的存在只为兼容旧有的实现）。

virtaul bus是一个比较新的bus，主要用来抽象那些虚拟设备，所谓的虚拟设备，是指不是真实的硬件设备，而是用软件模拟出来的设备，例如虚拟机中使用的虚拟的网络设备（有关该bus的描述，可参考该链接处的解释：https://lwn.net/Articles/326540/）。

platform bus就比较普通，它主要抽象集成在CPU（SOC）中的各种设备。这些设备直接和CPU连接，通过总线寻址和中断的方式，和CPU交互信息。

我们会在后续的文章中，进一步分析这些特殊的bus，这里就暂时不详细描述了。

4.3 subsys interface

subsys interface是一个很奇怪的东西，除非有一个例子，否则很难理解。代码中是这样注释的：

“

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

”

字面上理解，它抽象了bus下所有设备的一些特定功能。

kernel使用struct subsys_interface结构抽象subsys interface，并提供了subsys_interface_register/subsys_interface_unregister用于注册/注销subsys interface，bus下所有的interface都挂载在struct subsys_private变量的“interface”链表上（具体可参考2.2小节的描述）。struct subsys_interface的定义如下：

1. /**
2. \* struct subsys_interface - interfaces to device functions
3. \* @name: name of the device function
4. \* @subsys: subsytem of the devices to attach to
5. \* @node: the list of functions registered at the subsystem
6. \* @add_dev: device hookup to device function handler
7. \* @remove_dev: device hookup to device function handler
8. *
9. \* Simple interfaces attached to a subsystem. Multiple interfaces can
10. \* attach to a subsystem and its devices. Unlike drivers, they do not
11. \* exclusively claim or control devices. Interfaces usually represent
12. \* a specific functionality of a subsystem/class of devices.
13. */
14. struct subsys_interface {
15. const char *name;
16. struct bus_type *subsys;
17. struct list_head node;
18. int (*add_dev)(struct device *dev, struct subsys_interface *sif);
19. int (*remove_dev)(struct device *dev, struct subsys_interface *sif);
20. };

“

name，interface的名称。

subsys，interface所属的bus。

node，用于将interface挂到bus中。

add_dev/remove_dev，兩個回呼函數，subsys interface的核心功能。當bus下有設備增加或刪除的時候，bus core會呼叫它下面所有subsys interface的add_dev或remove_dev回呼。設計者可以在這兩個回呼函數中實現所需功能，例如綁定該「specific functionality」所對應的driver，等等。

」

#subsys interface的實作邏輯比較簡單，這裡不再詳細描述了，具體可參考「drivers/base/bus.c」中對應的程式碼。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理解它的現實意義。

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