📚 课程目录第2章 Linux设备模型基础

2. Linux 设备模型基础：总线、设备、驱动模型，platform 总线与设备驱动

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），旨在将系统中的硬件设备、驱动程序和通信路径抽象为标准的软件对象，从而简化驱动开发、电源管理和用户空间接口。本章将深入剖析该模型的核心三要素——总线（Bus）、设备（Device）和驱动（Driver），并重点讲解嵌入式开发中最常用的 platform 总线及其驱动框架。

2.1 设备模型三要素

Linux 设备模型将硬件拓扑抽象为三个核心对象，它们在内核中通过数据结构相互关联，形成一棵以 struct device 为节点的树形结构。

要素	内核数据结构	职责描述
总线（Bus）	`struct bus_type`	定义设备与驱动的匹配规则、热插拔操作、电源管理回调；是设备与驱动之间的桥梁。
设备（Device）	`struct device`	代表一个物理或虚拟硬件实体，包含资源信息（如 I/O 地址、中断号）、电源状态、父子关系。
驱动（Driver）	`struct device_driver`	封装操作硬件的具体代码，提供 `probe()`、`remove()`、`suspend()`、`resume()` 等接口。

核心机制：当内核注册一个新设备或新驱动时，总线会遍历其维护的设备链表和驱动链表，调用匹配函数（match()）进行配对。配对成功后，总线调用驱动的 probe() 方法，驱动开始初始化硬件并注册子设备。

下图展示了设备模型中三要素的协作关系：

2.2 总线匹配与 probe 流程

设备与驱动的匹配是设备模型的核心动作。当系统启动或热插拔事件发生时，总线按照以下步骤完成绑定：

设备注册：总线将新设备加入设备链表，并遍历驱动链表调用 match()。
驱动注册：总线将新驱动加入驱动链表，并遍历设备链表调用 match()。
匹配判断：match() 函数根据总线类型返回布尔值。例如 PCI 总线匹配 VID/PID，USB 匹配 VID/PID/接口类，platform 总线匹配设备树 compatible 属性或设备名。
绑定与 probe：匹配成功后，总线调用驱动的 probe() 方法，驱动获得设备资源指针，开始初始化硬件。
解绑与 remove：设备移除或驱动卸载时，总线调用驱动的 remove() 方法释放资源。

关键点：一个驱动可以支持多个设备（通过 of_match_table 或 id_table），一个设备只能绑定一个驱动。匹配失败时，设备保持“孤儿”状态，不会产生任何操作。

2.3 platform 总线：嵌入式系统的虚拟总线

在嵌入式系统中，大量设备（如 GPIO 按键、LED、I2C 控制器、SPI 控制器）并不挂载在 PCI、USB 等可枚举总线上。Linux 为此引入了 platform 总线（platform_bus_type），它是一种虚拟总线，用于管理那些 直接由 CPU 内存映射或通过板级代码描述 的设备。

特性	platform 总线	PCI / USB 总线
硬件发现方式	静态描述（设备树 / ACPI / 板级文件）	自动枚举（配置空间 / 描述符）
匹配依据	`compatible` 属性、设备名	VID / PID / 类代码
资源传递	`struct resource` 数组（I/O、中断、DMA）	PCI BAR、USB endpoint
典型应用	GPIO、UART、SPI、I2C 控制器、看门狗	网卡、显卡、USB 外设

2.4 platform 设备与驱动核心数据结构

platform 体系在通用设备模型基础上增加了两层封装：

struct platform_device：继承 struct device，增加 struct resource *resource（资源数组）和 int num_resources。
struct platform_driver：继承 struct device_driver，增加 probe()、remove()、shutdown() 等回调，以及 struct of_device_id *of_match_table（设备树匹配表）。

以下是一个典型的 platform 驱动框架代码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of.h>

/* 设备树匹配表 */
static const struct of_device_id my_driver_of_match[] = {
    { .compatible = "vendor,my-gpio-key" },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_driver_of_match);

/* probe 函数：驱动与设备匹配成功后调用 */
static int my_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct resource *res;
    int irq;

    pr_info("my_driver: probe called\n");

    /* 获取 I/O 内存资源 */
    res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
    if (!res)
        return -ENXIO;

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

    /* 硬件初始化代码 */
    return 0;
}

/* remove 函数：驱动卸载或设备移除时调用 */
static int my_remove(struct platform_device *pdev)
{
    pr_info("my_driver: remove called\n");
    return 0;
}

/* platform_driver 结构体 */
static struct platform_driver my_driver = {
    .probe  = my_probe,
    .remove = my_remove,
    .driver = {
        .name = "my_gpio_key",
        .of_match_table = my_driver_of_match,
    },
};

module_platform_driver(my_driver);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Embedded Expert");
MODULE_DESCRIPTION("Platform driver example for GPIO key");

注意事项：

of_match_table 必须与设备树中节点的 compatible 属性完全一致，包括大小写和逗号。
module_platform_driver() 宏展开为 module_init() 和 module_exit()，自动处理注册与注销。
资源获取应使用 platform_get_resource() 系列函数，避免直接访问 pdev->resource。

2.5 设备树与 platform 设备的绑定流程

在设备树使能的内核中，platform 设备的创建和注册由内核在启动阶段自动完成。下图展示了从设备树节点到 platform 设备实例的完整链路：

2.6 关键 API 速查表

以下是在 platform 驱动开发中高频使用的内核 API：

API 函数	所属头文件	功能说明
`platform_get_resource()`	`linux/platform_device.h`	获取指定类型和索引的资源（I/O、内存、DMA）
`platform_get_irq()`	`linux/platform_device.h`	获取中断号，返回值为 int
`devm_platform_ioremap_resource()`	`linux/platform_device.h`	获取 I/O 资源并建立内存映射，自动管理生命周期
`of_match_node()`	`linux/of.h`	在 of_match_table 中查找匹配的 compatible 条目
`module_platform_driver()`	`linux/platform_device.h`	宏，展开为 module_init / module_exit 注册 platform_driver

最佳实践：推荐使用 devm_ 系列资源管理函数（如 devm_platform_ioremap_resource、devm_request_irq），它们会在驱动卸载或 probe 失败时自动释放资源，避免内存泄漏和中断残留。

2.7 本章小结

Linux 设备模型通过总线、设备、驱动三个核心对象实现硬件与软件的松耦合。
platform 总线 是嵌入式 Linux 中最常用的虚拟总线，适用于非可枚举设备。
设备树中的节点在系统启动时被解析为 platform_device，并通过 compatible 属性与 platform_driver 匹配。
驱动开发者只需实现 probe() 和 remove() 回调，并在 of_match_table 中声明支持的设备。
掌握 platform_get_resource() 和 devm_ 系列 API 是编写健壮驱动的基础。