概述

LDD3中說：“Linux內核需要一個對系統結構的一般性描述。”這個描述就是linux設備驅動模型（下面簡稱為LDDM）。LDDM不是獨立存在，其體系如下圖所示：

LDDM體系結構

對架構的每一部分本文都會開辟獨立的章節進行描述。暫且拋開這個架構，首先從總體上了解一下LDDM。

LDDM與驅動程序密切相關，而驅動程序處于linux系統中的什么位置呢？我們自頂向下一步步來說，先看下圖[以下內容以http://www.wowotech.net/sort/device_model中的內容為主體結合自己的認識和對于4.1內核的修改，這個系列文章非常好，推薦]，linux由五個部分組成

1. Process Scheduler，也稱作進程管理、進程調度。負責管理CPU資源，以便讓各個進程可以以盡量公平的方式訪問CPU。

2. Memory Manager，內存管理。負責管理Memory（內存）資源，以便讓各個進程可以安全地共享機器的內存資源。另外，內存管理會提供虛擬內存的機制，該機制可以讓進程使用多于系統可用Memory的內存，不用的內存會通過文件系統保存在外部非易失存儲器中，需要使用的時候，再取回到內存中。

3. VFS（Virtual File System），虛擬文件系統。Linux內核將不同功能的外部設備，例如Disk設備（硬盤、磁盤、NAND Flash、Nor Flash等）、輸入輸出設備、顯示設備等等，抽象為可以通過統一的文件操作接口（open、close、read、write等）來訪問。這就是Linux系統“一切皆是文件”的體現（其實Linux做的并不徹底，因為CPU、內存、網絡等還不是文件，如果真的需要一切皆是文件）。

4. Network，網絡子系統。負責管理系統的網絡設備，并實現多種多樣的網絡標準。

5. IPC（Inter-Process Communication），進程間通信。IPC不管理任何的硬件，它主要負責Linux系統中進程之間的通信。

其中與設備驅動相關的是VFS子系統，VFS子系統包含5個模塊：

1. Device Drivers，設備驅動，用于控制所有的外部設備及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件設備（特別是嵌入式產品），所以也有非常多的設備驅動。因此，Linux內核中將近一半的Source Code都是設備驅動，大多數的Linux底層工程師（特別是國內的企業）都是在編寫或者維護設備驅動，而無暇估計其它內容（它們恰恰是Linux內核的精髓所在）。

2. Device Independent Interface， 該模塊定義了描述硬件設備的統一方式（統一設備模型），所有的設備驅動都遵守這個定義，可以降低開發的難度。同時可以用一致的形勢向上提供接口。這一層體現了linux設備驅動模型的核心思想。

3. Logical Systems，每一種文件系統，都會對應一個Logical System（邏輯文件系統），它會實現具體的文件系統邏輯。使用mount命令可以看到。

4. System Independent Interface，該模塊負責以統一的接口（塊設備和字符設備）表示硬件設備和邏輯文件系統，這樣上層軟件就不再關心具體的硬件形態了。

5. System Call?Interface，系統調用接口，向用戶空間提供訪問文件系統和硬件設備的統一的接口。

從圖中可以看出，VFS包含了設備驅動的大部分內容（網絡驅動不屬于“文件”），設備無關接口體現的就是linux設備驅動模型的核心思想。

LDDM核心思想

如前所述，由于Linux支持世界上幾乎所有的、不同功能的硬件設備（這是Linux的優點），導致Linux內核中有一半的代碼是設備驅動，而且隨著硬件的快速升級換代，設備驅動的代碼量也在快速增長。為了降低設備多樣性帶來的Linux驅動開發的復雜度，以及設備熱拔插處理、電源管理等，Linux內核提出了設備模型（也稱作Driver Model）的概念。設備模型將硬件設備歸納、分類，然后抽象出一套標準的數據結構和接口。驅動的開發，就簡化為對內核所規定的數據結構的填充和實現。

因此，Linux設備驅動模型是一種抽象，為內核建立起統一的設備模型。其目的是：

提供一個對系統結構的一般性抽象描述。

LDDM跟蹤所有系統所知道的設備，以便讓LDDM核心程序協調驅動與新設備之間的關系。

內核使用Linux設備驅動模型支持如下任務：

1. 電源管理和系統關機

2. 與用戶空間通信

???sys虛擬文件系統的實現與設備模型密切相關，并且向外界展示了它所表述的結構。向用戶空間所提供的系統信息，以及改變操作參數的接口，都要通過/sys文件系統實現，即通過設備模型實現。

3. 熱插拔設備

???處理與用戶空間進行熱插拔設備的通信是通過設備模型管理的。

4. 設備類型

???設備模型包括了對設備分類的機制，它會在更高的功能層上描述這些設備，并使得這些設備對用戶空間可見。尤其是將命名設備的功能從內核層轉移到用戶層，大大提高了設備管理的靈活性。

5. 對象生命周期管理

???設備模型實現一系列機制以處理對象的生命周期、對象之間的關系，以及這些對象在用戶空間中的表示。簡化編程人員創建和管理對象的工作。

Linux設備驅動模型使用一系列抽象（面向對象設計里的類），提供統一的設備管理視圖，這些抽象包括：總線、類、設備和設備驅動。

Bus（總線）：總線是CPU和一個或多個設備之間信息交互的通道。而為了方便設備模型的抽象，所有的設備都應連接到總線上，無論是CPU內部總線、虛擬的總線還是“platform Bus”（在計算機中有這樣一類設備，它們通過各自的設備控制器，直接和CPU連接，CPU可以通過常規的尋址操作訪問它們（或者說訪問它們的控制器）。這種連接方式，并不屬于傳統意義上的總線連接。但設備模型應該具備普適性，因此Linux就虛構了一條Platform Bus，供這些設備掛靠。）。

Class（分類）：在Linux設備模型中，Class的概念非常類似面向對象程序設計中的Class（類），它主要是集合具有相似功能或屬性的設備，這樣就可以抽象出一套可以在多個設備之間共用的數據結構和接口函數。因而從屬于相同Class的設備的驅動程序，就不再需要重復定義這些公共資源，直接從Class中繼承即可。

Device（設備）：抽象系統中所有的硬件設備，描述它的名字、屬性、從屬的Bus、從屬的Class等信息。

另外，linux驅動模型還有一類抽象，Device Driver（設備驅動），Linux設備模型用Driver抽象硬件設備的驅動程序，它包含設備初始化、電源管理相關的接口實現。而Linux內核中的驅動開發，基本都圍繞該抽象進行（實現所規定的接口函數）。

上面提到過，Linux內核通過sys文件系統展示了設備驅動模型的內在結構，我們通過sys文件系統來看看上述抽象如何組織在一起，如何有序的管理linux設備：

可以看到，linux驅動模型是個復雜的體系，包括設備樹、總線樹、類樹，即使一個簡單的系統設備模型也會包含幾百個節點，但是Linux設備驅動模型代碼會處理好這些關系，模型隱藏在交互背后。

綜上所述，Linux設備驅動模型的核心思想是：

?1. 用Device（struct device）和Device Driver（struct device_driver）兩個數據結構，分別從“有什么用”和“怎么用”兩個角度描述硬件設備。這樣就統一了編寫設備驅動的格式，使驅動開發從論述題變為填空體，從而簡化了設備驅動的開發。

2. 同樣使用Device和Device Driver兩個數據結構，實現硬件設備的即插即用（熱拔插）。

在Linux內核中，只要任何Device和Device Driver具有相同的名字，內核就會執行Device Driver結構中的初始化函數（probe），該函數會初始化設備，使其為可用狀態。

而對大多數熱拔插設備而言，它們的Device Driver一直存在內核中。當設備沒有插入時，其Device結構不存在，因而其Driver也就不執行初始化操作。當設備插入時，內核會創建一個Device結構（名稱和Driver相同），此時就會觸發Driver的執行。這就是即插即用的概念。

3. 通過"Bus-->Device”類型的樹狀結構解決設備之間的依賴，而這種依賴在開關機、電源管理等過程中尤為重要。

試想，一個設備掛載在一條總線上，要啟動這個設備，必須先啟動它所掛載的總線。很顯然，如果系統中設備非常多、依賴關系非常復雜的時候，無論是內核還是驅動的開發人員，都無力維護這種關系。

而設備模型中的這種樹狀結構，可以自動處理這種依賴關系。啟動某一個設備前，內核會檢查該設備是否依賴其它設備或者總線，如果依賴，則檢查所依賴的對象是否已經啟動，如果沒有，則會先啟動它們，直到啟動該設備的條件具備為止。而驅動開發人員需要做的，就是在編寫設備驅動時，告知內核該設備的依賴關系即可。

4. 使用Class結構，在設備模型中引入面向對象的概念，這樣可以最大限度地抽象共性，減少驅動開發過程中的重復勞動，降低工作量。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux设备驱动模型架构分析（一）——概述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。