- 内核中是如何部署总线的。
- 设备和驱动是如何挂载到总线上的。
- 设备和其对应的驱动是如何通过总线进行匹配的。
1.总线部署
我们从函数start_kernel来分析总线的部署，实际上在函数start_kernel调用之前，会有汇编代码来处理启动参数，启动模式，创建内核空间页表，准备好堆栈等。由于这些同总线部署关系不大，暂且就认为start_kernel就是内核的main函数。start_kernel内部会调用rest_init，rest_init函数内部创建内核线程kernel_init，而kernel_init中有如下的函数调用过程：
kernel_init-->do_basic_setup->driver_init—>buses_init和platform_bus_init此处的buses_init和platform_bus_init就是总线的部署函数，也是本小节的重点，且buses_init必须在platform_bus_init前面调用。因为Platform总线是挂载在bus总线下的，接下来我们详细分析下这两个过程。
buses_init
内核中所有的对象如bus，都是一个kobject，而把相同类型的kobject集合到一起就组成了一个kset，而函数buses_init内部就是通过bus_kset = kset_create_and_add("bus", &bus_uevent_ops, NULL)来注册bus总线对应的kset，其最后bus_kset如下图1所示：
图 1 bus_kset结构
至此算是准备好了bus_kset，我们继续往下看一下其他类型的总线是如何和bus进行关联的。
platform_bus_init
该函数主要完成两个功能，其函数如下：
struct bus_type platform_bus_type = {
.name = "platform",
.dev_attrs = platform_dev_attrs,
.match = platform_match,
.uevent = platform_uevent,
.pm = &platform_dev_pm_ops,
};
EXPORT_SYMBOL_GPL(platform_bus_type);
int __init platform_bus_init(void)
{
int error;
early_platform_cleanup();
error = device_register(&platform_bus);
if (error)
return error;
error = bus_register(&platform_bus_type);
if (error)
device_unregister(&platform_bus);
return error;
}device_register是用来注册一个device，并添加到系统中，最后会在/sys/devices/目录下建立 platform目录对应的设备对象，其路径是/sys/devices/platform/。
bus_register是将Platform bus总线注册进系统，其实内部就是创建了对应的kset和kobject等，且主要完成以下三项工作：
- 初始化必须的结构体，struct subsys_private 和对应的kobkect。
- 同bus总线建立关系，kobject.parent 设置为上一步已经创建好的bus_kset.kobj, kobject.kset设置为bus_kset,把对应的kobject.ktype设置为bus_ktype。
- 把对应的kobjet添加到对应的kset的链表中，对总线来说，就是添加到bus_kset中的链表中。
下面是bus_register函数的实现(删除了创建失败退出时free内存等的操作)，且我在代码中增加了注释，方便大家查阅：
/**
* bus_register - register a bus with the system.
* @bus: bus.
*
* Once we have that, we registered the bus with the kobject
* infrastructure, then register the children subsystems it has:
* the devices and drivers that belong to the bus.
*/
int bus_register(struct bus_type *bus)
{
int retval;
//step:创建并分配，初始化struct subsys_private结构体指针
struct subsys_private *priv;
priv = kzalloc(sizeof(struct subsys_private), GFP_KERNEL);
if (!priv)
return -ENOMEM;
priv->bus = bus;
bus->p = priv;
BLOCKING_INIT_NOTIFIER_HEAD(&priv->bus_notifier);
retval = kobject_set_name(&priv->subsys.kobj, "%s", bus->name);
if (retval)
goto out;
//step2：同上面创建的bus_kset进行关联
//kset_register时，会设置对应priv->subsys。Kobject->parent = bus_kset.kobj
priv->subsys.kobj.kset = bus_kset;
priv->subsys.kobj.ktype = &bus_ktype;
priv->drivers_autoprobe = 1;
retval = kset_register(&priv->subsys); //一会添加到bus_kset链表中
if (retval)
goto out;
//step3：创建对应的属性文件
retval = bus_create_file(bus, &bus_attr_uevent);
if (retval)
goto bus_uevent_fail;
priv->devices_kset = kset_create_and_add("devices", NULL,
&priv->subsys.kobj);
if (!priv->devices_kset) {
retval = -ENOMEM;
goto bus_devices_fail;
}
priv->drivers_kset = kset_create_and_add("drivers", NULL,
&priv->subsys.kobj);
if (!priv->drivers_kset) {
retval = -ENOMEM;
goto bus_drivers_fail;
}
//step4:初始化两个比较重要的链表，后面内容中会提到这两个链表
klist_init(&priv->klist_devices, klist_devices_get, klist_devices_put);
klist_init(&priv->klist_drivers, NULL, NULL);
//step5:添加探针文件
retval = add_probe_files(bus);
if (retval)
goto bus_probe_files_fail;
retval = bus_add_attrs(bus);
if (retval)
goto bus_attrs_fail;
pr_debug("bus: '%s': registered\n", bus->name);
return 0;
……
return retval;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(bus_register);对于其他总线(如IIC等)，也是通过bus_register进行注册的，比如bus_register(&i2c_bus_type)和bus_register(&mmc_bus_type)等，其原理同上面一样，在此就不挨个介绍了。
通过上面的分析，我们知道了bus总线，且其他总线挂载在bus总线下，等总线部署完成后，不同设备会挂载在对应的总线下面。对于SPI，IIC等设备，他们都可以挂载在对应的总线下同CPU进行数据交互。但在嵌入式系统中，有些设备是不属于这些常见的总线，因此引入了虚拟的Platform总线，本小节正是通过虚拟的Platform总线来说明总线部署的。
2.设备和驱动的挂载
我们依然采用Platform总线来说明设备和驱动的挂载问题。
设备挂载
对于Platform总线来说，可以通过函数platform_device_register来挂载(有的地方称之为注册)设备，也可以通过设备树来挂载，在内核启动时，会进行设备树的解析，本文中不涉及设备树，主要介绍platform_device_register的方式。
该函数原型如下：
int platform_device_register(struct platform_device *pdev)
{
device_initialize(&pdev->dev);
return platform_device_add(pdev);
}函数在执行的过程中，有如下调用关系：
platform_device_add---->设置struct platform_device中的总线类型及其他参数--->device_add--->bus_add_device---->klist_add_tail
这个调用过程省略了一些属性和节点等的处理，我关注的重点在函数klist_add_tail，该函数是把当前设备添加到platform_bus中的一个链表中，这个链表在Platform总线部署时就初始化完成了，其初始化函数就是函数bus_register中的step4，可以翻阅上一个小节来查看。
驱动挂载
对于Platform总线来说，可以通过函数platform_driver_register来挂载(有的地方称之为注册)设备，其函数原型如下：
int platform_driver_register(struct platform_driver *drv)
{
drv->driver.bus = &platform_bus_type;
if (drv->probe)
drv->driver.probe = platform_drv_probe;
if (drv->remove)
drv->driver.remove = platform_drv_remove;
if (drv->shutdown)
drv->driver.shutdown = platform_drv_shutdown;
return driver_register(&drv->driver);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(platform_driver_register);函数在执行的过程中，有如下调用关系：
driver_register---> 设置对应的参数等---->driver_find---> bus_add_driver----> klist_add_tail
相对于设备挂载，多了一个函数driver_find的调用，该函数主要目的就是判断驱动是否已经挂载上了，其余处理方式同设备挂载相同。最为重要的依然是klist_add_tail，把该驱动添加到了platform_bus中的一个链表中。
其他类型的总线设备和驱动相同，也会存在两个链表，设备和驱动均挂载到相应的链表中。
3.设备和驱动的匹配
从第2小节中，我们知道Platform总线下有两个链表，我采用下面的图来具体化这两个链表，图左边的设备链表，图中仅呈现3个设备，实际上会有很多，图右边为驱动链表。不管是左边的设备还是右边的驱动，均有name字段(通常情况下是compatible)，这是个非常重要的字段，后面我们会用到它。
图 2Platform总线的两个链表
针对匹配问题，我依然采用Platform总线来阐述，我们已经知道在进行驱动挂载时，会调用函数bus_add_driver，该函数内核实际上还会调用一个函数driver_attach(针对设置drivers_autoprobe的情况)，下面是函数driver_attach的调用情况：
driver_attach
--->bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach)
---> klist_iter_init_node(&bus->p->klist_devices, &i, (start ? &start->p->knode_bus : NULL));
while ((dev = next_device(&i)) && !error)
error = fn(dev, data);
--->driver_match_device
---> drv->bus->match
---> platform_match从上面代码过程可以看出，当挂载驱动时，会遍历图2中左边的链表，最后调用Platform总线的match函数platform_match (match函数是在struct bus_type platform_bus_type中设置的，在总线部署时阶段调用platform_bus_init就设置好了)来进行设备和驱动的匹配。每个总线都会有自己的match函数，且match函数里面会通过多种方式匹配，如常见的compitable，name或者id_table，只要有一个能匹配上，则认为驱动和设备匹配成功。
总结
本文主要采用Platform来说明了内核中总线部署，设备和驱动挂载，及设备和驱动的匹配问题，实际上其他总线也是采用相同的方式，在我的描述过程中，重点在于总线，忽略了一些sysfs节点，引用计数，kobject，kset等，但这些在内核架构中也是比较重要的环节，希望大家在了解总线架构后，也能有时间去深入查看内核总线的各个处理细节。
特别说明：不同的内核，可能使用到的函数，或者函数的实现同文章中介绍的存在出入，但其原理及架构相同，可以作为参考。
作者介绍
赵青窕，51CTO社区编辑，从事多年驱动开发。研究兴趣包含安全OS和网络安全领域，发表过网络相关专利。
