3. Linux设备驱动模型

在Linux内核中，设备驱动模型为硬件设备与驱动程序之间提供了标准化的抽象层。对于网络接口卡（NIC）驱动开发而言，理解platform总线、设备树（Device Tree）以及驱动与设备的匹配机制是编写可移植、可维护驱动的基石。本章将深入剖析这些核心概念，并解析驱动模块的加载与卸载流程。

3.1 Linux设备驱动模型概述

Linux内核的设备驱动模型基于设备（device）、驱动（driver）和总线（bus）三个核心对象。总线负责将设备和驱动绑定在一起。当系统检测到一个新设备时，总线会遍历已注册的驱动列表，寻找能够管理该设备的驱动；反之，当注册一个新驱动时，总线会扫描已连接的设备，尝试进行匹配。

3.2 platform总线

platform总线是一种虚拟总线，用于管理那些不依附于传统物理总线（如PCI、USB、I2C）的片上系统（SoC）外设。在嵌入式系统中，绝大多数NIC控制器（如DesignWare EMAC、TI CPSW、Freescale FEC）都作为platform设备存在。

3.2.1 platform总线的工作机制

platform总线通过 platform_match 函数进行设备和驱动的匹配。其匹配顺序如下：

1. 设备树（DT）匹配：比较驱动中 of_match_table 的 compatible 属性与设备树节点中的 compatible 属性。
2. ACPI匹配：在支持ACPI的系统中，比较ACPI ID。
3. 名称匹配：比较驱动的 id_table 中的名称与platform设备的名称。
4. 设备名称回退匹配：直接比较驱动名称与设备名称。

3.2.2 platform驱动结构

一个典型的platform NIC驱动框架如下：

/* 定义 of_match_table，用于设备树匹配 */
static const struct of_device_id my_nic_of_match[] = {
    { .compatible = "vendor,my-nic-v1", },
    { .compatible = "vendor,my-nic-v2", },
    { /* end of list */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_nic_of_match);

/* probe 函数：当驱动与设备匹配成功时调用 */
static int my_nic_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct resource *res;
    void __iomem *base;
    int irq;

    /* 获取设备树中的内存资源 */
    res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
    base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
    if (IS_ERR(base))
        return PTR_ERR(base);

    /* 获取中断号 */
    irq = platform_get_irq(pdev, 0);
    if (irq < 0)
        return irq;

    /* 初始化硬件、注册net_device等 */
    // ...

    return 0;
}

/* remove 函数：当驱动卸载或设备移除时调用 */
static int my_nic_remove(struct platform_device *pdev)
{
    /* 释放资源、注销net_device */
    // ...
    return 0;
}

/* platform_driver 结构体 */
static struct platform_driver my_nic_driver = {
    .probe  = my_nic_probe,
    .remove = my_nic_remove,
    .driver = {
        .name = "my_nic",
        .of_match_table = my_nic_of_match,
    },
};

3.3 设备树（Device Tree）

设备树是一种描述硬件资源的数据结构，它通过文本文件（.dts）编译成二进制（.dtb），在系统启动时由bootloader传递给内核。设备树使得内核无需硬编码硬件信息，实现了代码与硬件描述的分离。

3.3.1 设备树节点与属性

一个NIC控制器在设备树中的典型描述如下：

/* my-nic.dts */
/ {
    soc {
        my_nic: ethernet@f0000000 {
            compatible = "vendor,my-nic-v1";
            reg = <0x0 0xf0000000 0x0 0x1000>;
            interrupts = <0 33 4>;
            interrupt-parent = <&gic>;
            phy-mode = "rgmii";
            phy-handle = <&phy0>;
            status = "okay";

            mdio {
                #address-cells = <1>;
                #size-cells = <0>;
                phy0: ethernet-phy@0 {
                    reg = <0>;
                };
            };
        };
    };
};

3.3.2 设备树与platform总线的交互

当内核启动时，设备树中的每个节点都会被展开为一个 struct platform_device。这些设备被注册到platform总线上，等待匹配的驱动。

3.4 驱动与设备的匹配机制

匹配机制是设备模型的核心。当 platform_match 被调用时，它按照优先级顺序尝试匹配。对于NIC驱动，最常用的是设备树匹配。

3.4.1 匹配过程详解

匹配过程在内核源码 drivers/base/platform.c 的 platform_match 函数中实现。其核心逻辑如下：

static int platform_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
    struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev);
    struct platform_driver *pdrv = to_platform_driver(drv);

    /* 1. 尝试设备树匹配 */
    if (of_driver_match_device(dev, drv))
        return 1;

    /* 2. 尝试ACPI匹配 */
    if (acpi_driver_match_device(dev, drv))
        return 1;

    /* 3. 尝试ID表匹配 */
    if (pdrv->id_table)
        return platform_match_id(pdrv->id_table, pdev) != NULL;

    /* 4. 回退到名称匹配 */
    return (strcmp(pdev->name, drv->name) == 0);
}

3.4.2 匹配成功后的生命周期

一旦匹配成功，内核会调用驱动的 probe 函数。在 probe 中，驱动需要完成以下关键步骤：

• 资源获取：使用 platform_get_resource() 获取寄存器地址、DMA通道等。
• 中断申请：使用 platform_get_irq() 获取中断号，并调用 request_irq() 或 devm_request_irq() 注册中断处理函数。
• net_device分配与初始化：调用 alloc_etherdev() 分配网络设备，设置 net_device_ops。
• 硬件初始化：复位MAC、配置DMA描述符、设置MAC地址等。
• 注册网络设备：调用 register_netdev() 使设备可用。

3.5 module_init / module_exit 流程

驱动模块的加载与卸载由 module_init 和 module_exit 宏控制。对于platform驱动，标准做法是在模块初始化时注册platform驱动，在模块退出时注销。

3.5.1 标准入口与出口

/* 模块初始化函数 */
static int __init my_nic_init(void)
{
    int ret;

    ret = platform_driver_register(&my_nic_driver);
    if (ret)
        pr_err("Failed to register my_nic driver\n");

    return ret;
}

/* 模块退出函数 */
static void __exit my_nic_exit(void)
{
    platform_driver_unregister(&my_nic_driver);
}

module_init(my_nic_init);
module_exit(my_nic_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("My NIC Platform Driver");

3.5.2 流程时序图

3.5.3 使用 module_platform_driver 宏

为了简化代码，内核提供了 module_platform_driver 宏，它自动生成 module_init 和 module_exit 函数：

/* 使用宏简化驱动注册 */
module_platform_driver(my_nic_driver);

/* 等价于手动编写：
 * module_init(my_nic_init);
 * module_exit(my_nic_exit);
 *
 * 其中 my_nic_init 调用 platform_driver_register(&my_nic_driver)
 * my_nic_exit 调用 platform_driver_unregister(&my_nic_driver)
 */

3.6 本章小结

本章涵盖了Linux设备驱动模型在NIC驱动开发中的核心应用：

• platform总线是SoC内部NIC控制器的标准挂载点，通过 platform_driver_register() 注册。
• 设备树提供了硬件描述与代码的分离，compatible 属性是驱动匹配的关键。
• 匹配机制遵循DT → ACPI → ID表 → 名称的优先级顺序，确保灵活性和兼容性。
• module_init/exit 流程管理驱动的生命周期，probe() 和 remove() 是驱动与硬件交互的入口和出口。