Linux平台总线式驱动开发

引言：驱动开发的演进之路

在嵌入式Linux系统开发中，设备驱动开发一直是一个关键且复杂的环节。早期的驱动开发采用硬编码方式，导致代码冗余、维护困难、功能扩展受限等问题。随着Linux内核架构的演进，平台总线（Platform Bus）模型的引入为驱动开发带来了革命性的改进。本文将深入探讨平台总线式驱动的核心机制，并通过实例演示如何构建符合现代Linux内核标准的设备驱动。

一、总线模型：驱动开发的架构革命

1.1 传统驱动开发的痛点

早期的驱动开发模式存在四大核心问题：

1. 代码冗余严重：每个设备需要重复编写相似的初始化代码
2. 结构混乱：硬件资源管理与驱动逻辑耦合度过高
3. 功能扩展困难：难以支持热插拔、电源管理等统一功能
4. 开发效率低下：每次硬件改动都需要重新编写驱动

1.2 设备-驱动-总线模型的诞生

内核开发者提出革命性的解决方案：

• 设备（Device）：抽象硬件资源（寄存器地址、中断号等）
• 驱动（Driver）：实现设备操作逻辑（读写控制等）
• 总线（Bus）：作为中介管理设备与驱动的匹配

类比现实中的婚介所：

• 设备如同征婚者，提供硬件条件
• 驱动如同应征者，提供"持家能力"
• 总线如同婚介机构，进行智能匹配

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二、Platform总线核心数据结构剖析

2.1 设备表示：struct platform_device

c

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struct platform_device {
    const char    *name;     // 设备标识名
    int           id;        // 设备实例ID
    struct device dev;       // 继承的通用设备结构
    struct resource *resource; // 硬件资源数组
    u32 num_resources;       // 资源数量
    // ...其他成员
};

关键成员解析：

• name：匹配驱动的核心标识
• resource：存储MEM/IRQ等硬件资源
• dev.release：设备注销时的清理函数

2.2 驱动表示：struct platform_driver

c

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struct platform_driver {
    int (*probe)(struct platform_device *);
    int (*remove)(struct platform_device *);
    struct device_driver driver;
    const struct platform_device_id *id_table;
    // ...电源管理相关
};

核心功能函数：

• probe：匹配成功后初始化设备
• remove：设备移除时清理资源

2.3 资源描述：struct resource

c

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struct resource {
    resource_size_t start;   // 起始地址/中断号
    resource_size_t end;     // 结束地址
    const char *name;        // 资源名称
    unsigned long flags;     // 类型标识
};

常用类型标志：

c

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#define IORESOURCE_MEM  0x00000200  // 内存区域
#define IORESOURCE_IRQ  0x00000400  // 中断资源

三、Platform总线匹配机制详解

3.1 三级匹配体系

匹配方式	优先级	适用场景
设备树匹配	最高	现代设备，支持自动初始化
ID表匹配	中等	支持多设备的通用驱动
名称匹配	最低	简单设备，快速开发

3.2 名称匹配实现原理

设备端配置：

c

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struct platform_device my_dev = {
    .name = "led_ctrl",
    .id = -1,
    .resource = led_resources,
    .num_resources = ARRAY_SIZE(led_resources),
};

驱动端配置：

c

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struct platform_driver my_drv = {
    .driver = {
        .name = "led_ctrl",
    },
    .probe = led_probe,
    .remove = led_remove,
};

匹配流程图：

Image

Code

名称相同

platform_device_register

总线设备列表

platform_driver_register

总线驱动列表

匹配检查

调用probe函数

名称相同platform_device_register总线设备列表platform_driver_register总线驱动列表匹配检查调用probe函数

四、实战：LED设备驱动开发

4.1 设备资源定义

c

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static struct resource led_res[] = {
    [0] = {
        .start = 0x11000C40, // GPIO控制寄存器
        .end   = 0x11000C40 + 0x4,
        .flags = IORESOURCE_MEM,
    },
    [1] = {
        .start = 5,          // 使用GPIO5
        .flags = IORESOURCE_IRQ,
    }
};

4.2 设备注册模块

c

Copy

static void led_release(struct device *dev) {
    printk("LED device released\n");
}

struct platform_device led_device = {
    .name = "sunxi_led",
    .id = -1,
    .dev = {
        .release = led_release,
    },
    .resource = led_res,
    .num_resources = ARRAY_SIZE(led_res),
};

static int __init led_dev_init(void) {
    return platform_device_register(&led_device);
}

4.3 驱动实现模块

c

Copy

static int led_probe(struct platform_device *pdev) {
    struct resource *mem = platform_get_resource(pdev, 
        IORESOURCE_MEM, 0);
    struct resource *irq = platform_get_resource(pdev,
        IORESOURCE_IRQ, 0);
    
    // 映射IO内存
    void __iomem *base = ioremap(mem->start, 
        resource_size(mem));
    
    // 配置GPIO方向
    writel(0x01, base + 0x04);
    
    return 0;
}

struct platform_driver led_driver = {
    .driver = {
        .name = "sunxi_led",
    },
    .probe = led_probe,
    .remove = led_remove,
};

static int __init led_drv_init(void) {
    return platform_driver_register(&led_driver);
}

4.4 资源访问关键API

1. 获取资源：

c

Copy

struct resource *platform_get_resource(
    struct platform_device *dev,
    unsigned int type, 
    unsigned int num);

1. 内存映射：

c

Copy

void __iomem *ioremap(phys_addr_t offset, size_t size);

1. IO操作：

c

Copy

unsigned int readl(void __iomem *addr);
void writel(u32 value, void __iomem *addr);

五、设备树匹配：未来的方向

5.1 设备树优势

• 硬件抽象：分离硬件描述与驱动代码
• 动态配置：无需重新编译驱动即可修改硬件参数
• 结构清晰：树形结构直观反映硬件拓扑

5.2 设备树节点示例

dts

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leds {
    compatible = "sunxi,led-ctrl";
    reg = <0x11000C40 0x04>;
    gpio = <&pio 5 0>;
    interrupt-parent = <&gic>;
    interrupts = <0 23 4>;
};

5.3 驱动适配改造

c

Copy

static const struct of_device_id led_dt_ids[] = {
    { .compatible = "sunxi,led-ctrl" },
    { /* Sentinel */ }
};

struct platform_driver led_driver = {
    .driver = {
        .of_match_table = led_dt_ids,
    },
    // ...其他成员不变
};

六、性能优化与最佳实践

6.1 资源管理黄金法则

1. probe/remove对称：
   • ioremap()/iounmap()
   • request_irq()/free_irq()
2. 错误处理：

c

Copy

if (!res) {
    dev_err(&pdev->dev, "Resource missing\n");
    return -ENODEV;
}

6.2 调试技巧

1. 查看已注册设备：

bash

Copy

ls /sys/bus/platform/devices

1. 检查驱动匹配状态：

bash

Copy

dmesg | grep "probe"

1. 设备树解析：

bash

Copy

dtc -I fs /proc/device-tree

结语：迈向更智能的驱动开发

平台总线模型通过标准化的接口设计，极大提升了Linux驱动开发的模块化程度。随着设备树的普及，驱动开发正朝着"一次编写，多处适配"的理想形态演进。掌握这些核心机制，开发者可以更高效地构建可维护、可扩展的嵌入式系统。