📚 课程目录第4章 Linux设备驱动模型

4. Linux 设备驱动模型：设备、总线、驱动、platform驱动框架

Linux 内核从 2.6 版本开始引入了统一的设备驱动模型（Device Driver Model），旨在解决嵌入式系统中设备种类繁多、总线类型各异、驱动与设备耦合过紧的问题。该模型将硬件资源抽象为 设备（Device）、总线（Bus）、驱动（Driver） 三个核心实体，并通过内核对象（kobject）与 sysfs 文件系统将它们组织成层次化的拓扑结构。

核心思想： 驱动只关心“如何控制硬件”，设备只描述“硬件在哪里、有哪些资源”，总线负责匹配与通信。三者解耦后，同一驱动可适配多个设备，同一设备也可在不同总线上使用。

4.1 设备驱动模型三要素

下表总结了设备、总线、驱动在内核中的数据结构、职责与匹配方式：

要素	内核数据结构	核心职责	匹配依据
设备 (Device)	`struct device`	描述硬件实体：基地址、中断号、时钟、DMA 通道等资源	设备名、设备树节点 compatible 属性、ACPI ID
总线 (Bus)	`struct bus_type`	管理设备与驱动的注册、匹配、热插拔；提供 sysfs 视图	总线类型（platform、I2C、SPI、PCI 等）
驱动 (Driver)	`struct device_driver`	实现 probe()/remove() 回调，完成硬件初始化与控制逻辑	驱动支持的 compatible 列表或 ID 表

  匹配流程： 当设备注册到总线时，总线遍历已注册的驱动列表，调用 match() 函数；若匹配成功，则调用驱动的 probe() 方法，将设备与驱动绑定。驱动卸载或设备移除时，调用 remove() 解绑。

4.2 设备、总线、驱动的内核对象关系

下图展示了设备驱动模型中三要素在内核中的层次关系，以及它们如何通过 kobject 挂接到 sysfs 文件系统：

注意： 设备与驱动通过总线匹配后，驱动中的 probe() 函数会获得一个 struct device 指针，从中提取硬件资源（如 platform_get_resource()）。切勿在 probe() 中硬编码地址或中断号，否则将失去设备模型带来的可移植性优势。

4.3 platform 驱动框架

在嵌入式系统中，大量设备（如 GPIO 控制器、UART、I2C 适配器、LCD 控制器）并不挂接在传统的 PCI、USB 等可枚举总线上，而是直接集成在 SoC 内部，通过内存映射寄存器访问。Linux 为此引入了 platform 总线（虚拟总线），对应的驱动框架称为 platform 驱动。

4.3.1 platform 总线特点

虚拟总线： 不依赖物理总线枚举，设备信息通过板级代码或设备树静态描述。
自动匹配： 内核根据设备名或设备树 compatible 属性自动匹配驱动。
资源管理： 提供 platform_get_resource() 系列 API，统一获取 IO 内存、中断、DMA 等资源。
电源管理： 支持系统休眠/唤醒时的回调，便于嵌入式低功耗设计。

4.3.2 platform 驱动核心数据结构

编写 platform 驱动主要涉及以下两个结构体：

结构体	关键字段	说明
`struct platform_driver`	`probe`、`remove`、`shutdown`、`suspend`、`resume`、`driver`	驱动核心，注册到 platform 总线；`driver.name` 用于匹配设备
`struct platform_device`	`name`、`id`、`num_resources`、`resource`、`dev`	描述设备实例，通常由板级代码或设备树生成

4.3.3 platform 驱动匹配流程

下图展示了从设备注册到驱动 probe 的完整匹配流程：

4.3.4 最小 platform 驱动代码示例

以下是一个完整的 platform 驱动模板，演示了 probe/remove 回调、资源获取与模块注册：

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/err.h>

static int my_platform_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct resource *res;
    void __iomem *reg_base;
    int irq;

    pr_info("my_platform: probe called for device %s\n", pdev->name);

    /* 获取 IO 内存资源 */
    res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
    if (!res) {
        dev_err(&pdev->dev, "failed to get MEM resource\n");
        return -ENXIO;
    }

    /* 请求并映射 IO 内存 */
    reg_base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
    if (IS_ERR(reg_base))
        return PTR_ERR(reg_base);

    /* 获取中断资源 */
    irq = platform_get_irq(pdev, 0);
    if (irq < 0) {
        dev_err(&pdev->dev, "failed to get IRQ resource\n");
        return irq;
    }

    /* 在此处进行硬件初始化、注册中断、创建设备文件等操作 */
    pr_info("my_platform: reg_base=0x%p, irq=%d\n", reg_base, irq);

    return 0;
}

static int my_platform_remove(struct platform_device *pdev)
{
    pr_info("my_platform: remove called for device %s\n", pdev->name);
    /* 清理工作：注销中断、释放内存等 */
    return 0;
}

/* 匹配表：用于设备树或 ID 匹配 */
static const struct of_device_id my_platform_of_match[] = {
    { .compatible = "vendor,my-device" },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_platform_of_match);

static struct platform_driver my_platform_driver = {
    .probe  = my_platform_probe,
    .remove = my_platform_remove,
    .driver = {
        .name = "my_platform",
        .of_match_table = my_platform_of_match,
    },
};

module_platform_driver(my_platform_driver);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Embedded Developer");
MODULE_DESCRIPTION("Minimal Platform Driver Example");

  关键点解析：
  module_platform_driver() 宏展开为 module_init/module_exit，自动注册/注销驱动。
devm_ioremap_resource() 是 managed 版本，自动处理内存释放，避免资源泄漏。
of_match_table 用于设备树匹配，驱动名 driver.name 用于板级代码匹配。
probe() 返回 0 表示成功，返回负值表示失败，内核不会绑定该设备。

4.4 设备树与 platform 设备

在设备树（Device Tree）流行的嵌入式平台（ARM、RISC-V、龙芯等），platform 设备通常由设备树节点自动生成。内核在启动时解析 DTB，为每个 compatible 匹配的节点创建 struct platform_device，并注册到 platform 总线。

设备树节点示例：

/ {
    my_device: my-device@f0000000 {
        compatible = "vendor,my-device";
        reg = <0x0 0xf0000000 0x0 0x1000>;
        interrupts = <0 42 4>;
        status = "okay";
    };
};

内核解析该节点后，自动生成：

name： 取节点名 "my-device" 或 "my_device"（取决于内核版本）。
resource： 根据 reg 属性生成 IORESOURCE_MEM 资源；根据 interrupts 生成 IORESOURCE_IRQ 资源。
匹配： 驱动中的 of_match_table 与节点 compatible 属性比对。

最佳实践： 新平台优先使用设备树描述硬件，避免编写板级 C 文件注册 platform_device。设备树使驱动与硬件描述完全分离，同一驱动可无修改支持不同板卡。

4.5 本章小结

Linux 设备驱动模型通过设备、总线、驱动的三层抽象，实现了硬件与驱动的解耦，极大提升了代码复用性。platform 驱动框架作为嵌入式 SoC 内部设备的标配方案，是每个嵌入式 Linux 开发者必须掌握的核心技能。理解 probe/remove 生命周期、资源获取 API 以及设备树匹配机制，是后续编写 GPIO、I2C、SPI 等具体设备驱动的基础。