Linux设备模型(9)_device resource management作者：蜗蜗 发布于：2014-9-24 23:28 1. 前言蜗蜗建议，每一个Linux驱动工程师，都能瞄一眼本文。 之所以用“瞄”，因此它很简单，几乎不需要花费心思就能理解。之所有这建议，是因为它非常实用，可以解答一些困惑，可以使我们的代码变得简单、简洁。先看一个例子： 1: /* drivers/media/platform/soc_camera/mx1_camera.c, line 695 */ 2: static int __init mx1_camera_probe(struct platform_device *pdev) 3: { 4: ... 5: 6: res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 7: irq = platform_get_irq(pdev, 0);8: if (!res || (int)irq <= 0) { 9: err = -ENODEV;10: goto exit; 11: } 12: 13: clk = clk_get(&pdev->dev, "csi_clk"); 14: if (IS_ERR(clk)) { 15: err = PTR_ERR(clk);16: goto exit; 17: } 18: 19: pcdev = kzalloc(sizeof(*pcdev), GFP_KERNEL); 20: if (!pcdev) { 21: dev_err(&pdev->dev, "Could not allocate pcdev\n"); 22: err = -ENOMEM;23: goto exit_put_clk; 24: } 25: 26: ... 27: 28: /* 29: * Request the regions. 30: */ 31: if (!request_mem_region(res->start, resource_size(res), DRIVER_NAME)) { 32: err = -EBUSY;33: goto exit_kfree; 34: } 35: 36: base = ioremap(res->start, resource_size(res));37: if (!base) { 38: err = -ENOMEM;39: goto exit_release; 40: } 41: ... 42: 43: /* request dma */ 44: pcdev->dma_chan = imx_dma_request_by_prio(DRIVER_NAME, DMA_PRIO_HIGH);45: if (pcdev->dma_chan < 0) { 46: dev_err(&pdev->dev, "Can't request DMA for MX1 CSI\n"); 47: err = -EBUSY;48: goto exit_iounmap; 49: } 50: ... 51: 52: /* request irq */ 53: err = claim_fiq(&fh);54: if (err) { 55: dev_err(&pdev->dev, "Camera interrupt register failed\n"); 56: goto exit_free_dma; 57: } 58: 59: ... 60: err = soc_camera_host_register(&pcdev->soc_host);61: if (err) 62: goto exit_free_irq; 63: 64: dev_info(&pdev->dev, "MX1 Camera driver loaded\n"); 65: 66: return 0; 67: 68: exit_free_irq: 69: disable_fiq(irq); 70: mxc_set_irq_fiq(irq, 0); 71: release_fiq(&fh); 72: exit_free_dma: 73: imx_dma_free(pcdev->dma_chan); 74: exit_iounmap: 75: iounmap(base); 76: exit_release: 77: release_mem_region(res->start, resource_size(res)); 78: exit_kfree: 79: kfree(pcdev); 80: exit_put_clk: 81: clk_put(clk); 82: exit:83: return err; 84: }相信每一个写过Linux driver的工程师，都在probe函数中遇到过上面的困惑：要顺序申请多种资源（IRQ、Clock、memory、regions、ioremap、dma、等等），只要任意一种资源申请失败，就要回滚释放之前申请的所有资源。于是函数的最后，一定会出现很多的goto标签（如上面的exit_free_irq、exit_free_dma、等等），并在申请资源出错时，小心翼翼的goto到正确的标签上，以便释放已申请资源。 正像上面代码一样，整个函数被大段的、重复的“if (condition) { err = xxx; goto xxx; }”充斥，浪费精力，容易出错，不美观。有困惑，就有改善的余地，最终，Linux设备模型借助device resource management（设备资源管理），帮我们解决了这个问题。就是：driver你只管申请就行了，不用考虑释放，我设备模型帮你释放。最终，我们的driver可以这样写： 1: static int __init mx1_camera_probe(struct platform_device *pdev) 2: { 3: ... 4: 5: res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 6: irq = platform_get_irq(pdev, 0);7: if (!res || (int)irq <= 0) { 8: return -ENODEV; 9: } 10: 11: clk = devm_clk_get(&pdev->dev, "csi_clk"); 12: if (IS_ERR(clk)) { 13: return PTR_ERR(clk); 14: } 15: 16: pcdev = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*pcdev), GFP_KERNEL); 17: if (!pcdev) { 18: dev_err(&pdev->dev, "Could not allocate pcdev\n"); 19: return -ENOMEM; 20: } 21: 22: ... 23: 24: /* 25: * Request the regions. 26: */ 27: if (!devm_request_mem_region(&pdev->dev, res->start, resource_size(res), DRIVER_NAME)) { 28: return -EBUSY; 29: } 30: 31: base = devm_ioremap(&pdev->dev, res->start, resource_size(res));32: if (!base) { 33: return -ENOMEM; 34: } 35: ... 36: 37: /* request dma */ 38: pcdev->dma_chan = imx_dma_request_by_prio(DRIVER_NAME, DMA_PRIO_HIGH);39: if (pcdev->dma_chan < 0) { 40: dev_err(&pdev->dev, "Can't request DMA for MX1 CSI\n"); 41: return -EBUSY; 42: } 43: ... 44: 45: /* request irq */ 46: err = claim_fiq(&fh);47: if (err) { 48: dev_err(&pdev->dev, "Camera interrupt register failed\n"); 49: return err; 50: } 51: 52: ... 53: err = soc_camera_host_register(&pcdev->soc_host);54: if (err) 55: return err; 56: 57: dev_info(&pdev->dev, "MX1 Camera driver loaded\n"); 58: 59: return 0; 60: }怎么做到呢？注意上面“devm_”开头的接口，答案就在那里。不要再使用那些常规的资源申请接口，用devm_xxx的接口代替。为了保持兼容，这些新接口和旧接口的参数保持一致，只是名字前加了“devm_”，并多加一个struct device指针。 2. devm_xxx下面列举一些常用的资源申请接口，它们由各个framework（如clock、regulator、gpio、等等）基于device resource management实现。使用时，直接忽略“devm_”的前缀，后面剩下的部分，driver工程师都很熟悉。只需记住一点，driver可以只申请，不释放，设备模型会帮忙释放。不过如果为了严谨，在driver remove时，可以主动释放（也有相应的接口，这里没有列出）。 1: extern void *devm_kzalloc(struct device *dev, size_t size, gfp_t gfp); 2: 3: void __iomem *devm_ioremap_resource(struct device *dev, 4: struct resource *res); 5: void __iomem *devm_ioremap(struct device *dev, resource_size_t offset, 6: unsigned long size); 7: 8: struct clk *devm_clk_get(struct device *dev, const char *id); 9: 10: int devm_gpio_request(struct device *dev, unsigned gpio, 11: const char *label); 12: 13: static inline struct pinctrl * devm_pinctrl_get_select( 14: struct device *dev, const char *name) 15: 16: static inline struct pwm_device *devm_pwm_get(struct device *dev, 17: const char *consumer); 18: 19: struct regulator *devm_regulator_get(struct device *dev, const char *id); 20: 21: static inline int devm_request_irq(struct device *dev, unsigned int irq, 22: irq_handler_t handler, unsigned long irqflags, 23: const char *devname, void *dev_id); 24: 25: struct reset_control *devm_reset_control_get(struct device *dev, 26: const char *id); 3. 什么是“设备资源”一个设备能工作，需要依赖很多的外部条件，如供电、时钟等等，这些外部条件称作设备资源（device resouce）。对于现代计算机的体系结构，可能的资源包括：
而在Linux kernel的眼中，“资源”的定义更为广义，比如PWM、RTC、Reset，都可以抽象为资源，供driver使用。 在较早的kernel中，系统还不是特别复杂，且各个framework还没有成型，因此大多的资源都由driver自行维护。但随着系统复杂度的增加，driver之间共用资源的情况越来越多，同时电源管理的需求也越来越迫切。于是kernel就将各个resource的管理权收回，基于“device resource management”的框架，由各个framework统一管理，包括分配和回收。 4. device resource management的软件框架
而更为具体的事情，如怎么抽象某一种设备，则由上层的framework负责。这些framework包括：regulator framework（管理power资源），clock framework（管理clock资源），interrupt framework（管理中断资源）、gpio framework（管理gpio资源），pwm framework（管理PWM），等等。 其它的driver，位于这些framework之上，使用它们提供的机制和接口，开发起来就非常方便了。 5. 代码分析5.1 数据结构先从struct device开始吧！该结构中有一个名称为“devres_head”的链表头，用于保存该设备申请的所有资源，如下： 1: struct device { 2: ... 3: spinlock_t devres_lock;4: struct list_head devres_head; 5: ... 6: } 7: 那资源的数据结构呢？在“drivers/base/devres.c”中，名称为struct devres，如下： 1: struct devres { 2: struct devres_node node; 3: /* -- 3 pointers */ 4: unsigned long long data[]; /* guarantee ull alignment */ 5: };咋一看非常简单，一个struct devres_node的变量node，一个零长度数组data，但其中有无穷奥妙，让我们继续分析。 node用于将devres组织起来，方便插入到device结构的devres_head链表中，因此一定也有一个list_head（见下面的entry）。另外，资源的存在形式到底是什么，device resource management并不知情，因此需要上层模块提供一个release的回调函数，用于release资源，如下： 1: struct devres_node { 2: struct list_head entry; 3: dr_release_t release;4: #ifdef CONFIG_DEBUG_DEVRES 5: const char *name; 6: size_t size;7: #endif 8: };抛开用于debug的变量不说，也很简单，一个entry list_head，一个release回调函数。看不出怎么抽象资源啊！别急，奥妙都在data这个零长度数组上面呢。 注1：不知道您是否注意到，devres有关的数据结构，是在devres.c中定义的（是C文件哦！）。换句话说，是对其它模块透明的。这真是优雅的设计（尽量屏蔽细节）！ 5.2 一个无关话题：零长度数组零长度数组的英文原名为Arrays of Length Zero，是GNU C的规范，主要用途是用来作为结构体的最后一个成员，然后用它来访问此结构体对象之后的一段内存（通常是动态分配的内存）。什么意思呢？ 以struct devres为例，node变量的长度为3个指针的长度，而struct devres的长度也是3个指针的长度。而data只是一个标记，当有人分配了大于3个指针长度的空间并把它转换为struct devres类型的变量后，我们就可以通过data来访问多出来的memory。也就是说，有了零长度数组data，struct devres结构的长度可以不定，完全依赖于你分配的空间的大小。有什么用呢？ 以本文的应用场景为例，多出来的、可通过data访问的空间，正是具体的device resource所占的空间。资源的类型不同，占用的空间的多少也不同，但devres模块的主要功能又是释放资源所占的资源。这是就是零长度数组的功能之一，因为整个memory空间是连续的，因此可以通过释devres指针，释放所有的空间，包括data所指的那片不定长度的、具体资源所用的空间。 零长度数组（data[0]），在不同的C版本中，有不同的实现方案，包括1长度数组（data[1]）和不定长度数组（data[]，本文所描述就是这一种），具体可参考GCC的规范： https://gcc./onlinedocs/gcc/Zero-Length.html 5.3 向上层framework提供的接口：devres_alloc/devres_free、devres_add/devres_remove先看一个使用device resource management的例子（IRQ模块）： 1: /* include/linux/interrupt.h */ 2: static inline int __must_check 3: devm_request_irq(struct device *dev, unsigned int irq, irq_handler_t handler, 4: unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id) 5: {6: return devm_request_threaded_irq(dev, irq, handler, NULL, irqflags, 7: devname, dev_id); 8: } 9: 10: 11: /* kernel/irq/devres.c */ 12: int devm_request_threaded_irq(struct device *dev, unsigned int irq, 13: irq_handler_t handler, irq_handler_t thread_fn,14: unsigned long irqflags, const char *devname, 15: void *dev_id) 16: {17: struct irq_devres *dr; 18: int rc; 19: 20: dr = devres_alloc(devm_irq_release, sizeof(struct irq_devres), 21: GFP_KERNEL);22: if (!dr) 23: return -ENOMEM; 24: 25: rc = request_threaded_irq(irq, handler, thread_fn, irqflags, devname, 26: dev_id);27: if (rc) { 28: devres_free(dr);29: return rc; 30: } 31: 32: dr->irq = irq; 33: dr->dev_id = dev_id; 34: devres_add(dev, dr); 35: 36: return 0; 37: } 38: EXPORT_SYMBOL(devm_request_threaded_irq); 39: 40: void devm_free_irq(struct device *dev, unsigned int irq, void *dev_id) 41: {42: struct irq_devres match_data = { irq, dev_id }; 43: 44: WARN_ON(devres_destroy(dev, devm_irq_release, devm_irq_match, 45: &match_data)); 46: free_irq(irq, dev_id); 47: } 48: EXPORT_SYMBOL(devm_free_irq);前面我们提过，上层的IRQ framework，会提供两个和request_irq/free_irq基本兼容的接口，这两个接口的实现非常简单，就是在原有的实现之上，封装一层devres的操作，如要包括： 1）一个自定义的数据结构（struct irq_devres），用于保存和resource有关的信息（对中断来说，就是IRQ num），如下： 1: /* 2: * Device resource management aware IRQ request/free implementation. 3: */ 4: struct irq_devres { 5: unsigned int irq; 6: void *dev_id; 7: };2）一个用于release resource的回调函数（这里的release，和memory无关，例如free IRQ），如下： 1: static void devm_irq_release(struct device *dev, void *res) 2: {3: struct irq_devres *this = res; 4: 5: free_irq(this->irq, this->dev_id); 6: }
3）以回调函数、resource的size为参数，调用devres_alloc接口，为resource分配空间。该接口的定义如下： 1: void * devres_alloc(dr_release_t release, size_t size, gfp_t gfp) 2: {3: struct devres *dr; 4: 5: dr = alloc_dr(release, size, gfp);6: if (unlikely(!dr)) 7: return NULL; 8: return dr->data; 9: }调用alloc_dr，分配一个struct devres类型的变量，并返回其中的data指针（5.2小节讲过了，data变量实际上是资源的代表）。alloc_dr的定义如下： 1: static __always_inline struct devres * alloc_dr(dr_release_t release, 2: size_t size, gfp_t gfp) 3: {4: size_t tot_size = sizeof(struct devres) + size; 5: struct devres *dr; 6: 7: dr = kmalloc_track_caller(tot_size, gfp);8: if (unlikely(!dr)) 9: return NULL; 10: 11: memset(dr, 0, tot_size); 12: INIT_LIST_HEAD(&dr->node.entry); 13: dr->node.release = release;14: return dr; 15: }看第一句就可以了，在资源size之前，加一个struct devres的size，就是total分配的空间。除去struct devres的，就是资源的（由data指针访问）。之后是初始化struct devres变量的node。 4）调用原来的中断注册接口（这里是request_threaded_irq），注册中断。该步骤和device resource management无关。 5）注册成功后，以设备指针（dev）和资源指针（dr）为参数，调用devres_add，将资源添加到设备的资源链表头（devres_head）中，该接口定义如下： 1: void devres_add(struct device *dev, void *res) 2: {3: struct devres *dr = container_of(res, struct devres, data); 4: unsigned long flags; 5: 6: spin_lock_irqsave(&dev->devres_lock, flags); 7: add_dr(dev, &dr->node); 8: spin_unlock_irqrestore(&dev->devres_lock, flags); 9: }从资源指针中，取出完整的struct devres指针，调用add_dr接口。add_dr也很简单，把struct devres指针挂到设备的devres_head中即可： 1: static void add_dr(struct device *dev, struct devres_node *node) 2: {3: devres_log(dev, node, "ADD"); 4: BUG_ON(!list_empty(&node->entry)); 5: list_add_tail(&node->entry, &dev->devres_head); 6: }6）如果失败，可以通过devres_free接口释放资源占用的空间，devm_free_irq接口中，会调用devres_destroy接口，将devres从devres_head中移除，并释放资源。这里就不详细描述了。 5.4 向设备模型提供的接口：devres_release_all这里是重点，用于自动释放资源。 先回忆一下设备模型中probe的流程（可参考“Linux设备模型(5)_device和device driver”），devres_release_all接口被调用的时机有两个： 1）probe失败时，调用过程为（就不详细的贴代码了）： __driver_attach/__device_attach-->driver_probe_device—>really_probe，really_probe调用driver或者bus的probe接口，如果失败（返回值非零，可参考本文开头的例子），则会调用devres_release_all。 2）deriver dettach时（就是driver remove时） driver_detach/bus_remove_device-->__device_release_driver-->devres_release_all devres_release_all的实现如下： 1: int devres_release_all(struct device *dev) 2: {3: unsigned long flags; 4: 5: /* Looks like an uninitialized device structure */ 6: if (WARN_ON(dev->devres_head.next == NULL)) 7: return -ENODEV; 8: spin_lock_irqsave(&dev->devres_lock, flags);9: return release_nodes(dev, dev->devres_head.next, &dev->devres_head, 10: flags); 11: }以设备指针为参数，直接调用release_nodes： 1: static int release_nodes(struct device *dev, struct list_head *first, 2: struct list_head *end, unsigned long flags) 3: __releases(&dev->devres_lock) 4: { 5: LIST_HEAD(todo);6: int cnt; 7: struct devres *dr, *tmp; 8: 9: cnt = remove_nodes(dev, first, end, &todo); 10: 11: spin_unlock_irqrestore(&dev->devres_lock, flags); 12: 13: /* Release. Note that both devres and devres_group are 14: * handled as devres in the following loop. This is safe. 15: */ 16: list_for_each_entry_safe_reverse(dr, tmp, &todo, node.entry) {17: devres_log(dev, &dr->node, "REL"); 18: dr->node.release(dev, dr->data); 19: kfree(dr); 20: } 21: 22: return cnt; 23: }release_nodes会先调用remove_nodes，将设备所有的struct devres指针从设备的devres_head中移除。然后，调用所有资源的release回调函数（如5.3小节描述的devm_irq_release），回调函数会回收具体的资源（如free_irq)。最后，调用free，释放devres以及资源所占的空间。
原创文章，转发请注明出处。蜗窝科技，www.。 评论： Issues 2015-02-05 08:54 谢谢楼主的解答，可这些头文件，在安装内核树之前应该已经存在了啊(/usr/src/ 下本来就有内核的头文件)。内核树构建的的是source文件和编译后的vmlinux.o镜像文件。如果编译新内核时这些文件没用，哪这些文件是干什么的。而且只有头文件，编译新model的时候引用的内核符号在哪？？ Issues 2015-02-05 16:28 @wowo：按楼主的意思，如果我编译和的module是和主机kernel相同版本的话，那不用构建内核源码树应该也能编译成功。可这样是会失败的啊，编译时会提示要求安装源码树 wowo 2015-02-05 21:14 @Issues：先确认是否有header文件。 再确认是否有模块编译目录：/lib/modules/$(uanem -r)/build 以及header的搜索路径是否正确。 等等。 Issues 2015-02-07 08:12 @wowo：最后还是在ldd 3rd上找到答案了，2.6内核的模块要和内核源码树中的目标文件连接，这样可以得到更加健壮的模块加载器，因此就需要这些目标文件存在于内核目录树中。以前版本的内核是只需要一套头文件的。第一遍看书的时候根本没理解是啥意思。现在发现，这句话是解释的最明白的。 谢谢楼主的耐心解答。网站的内容非常不错，有很多我需要学习的文章。希望以后窝窝可以变成linux爱好者的乐园。 Issues 2015-01-28 15:41 刚转入linux驱动开发，从楼主的系列文章学到了很多。不过鉴于个人还是内核菜鸟，有几个困扰多时，网上也没有找到确切答案的问题，想请楼主百忙之中拨冗解答一下。 1.在已安装linux系统的pc上进行驱动开发（面向本机，如给嵌入式开发，还比较好理解），为何还要安装内核源码树。已安装的linux系统没有内核么，两者有何区别。个人理解，是不是因为操作系统的内核是一个完整的可执行程序，因此，新建module是无法链接其中的目标文件，因此需要安装源码树。源码树安装并make后，形成目标文件，是不是只生成了一个vmlinux.o(ubuntu)，之后新建的module文件就可以通过/linux/*.h链接到此目标文件完成编译。 2.新建的moudle编译完成后，insmod加载模块，新module是加载到当前的linux操作系统中，还是新安装的内核源码树上。 希望楼主能详细解说一下，非常感谢。 wowo 2015-01-29 10:37 @Issues：我想你问的是有关”编译linux kernel module“的问题。 首先，编译kernel module（无论target machine是Host还是嵌入式本机），kernel source tree（从kernel.org下载的）不是必须的。而 linux kernel header才是必须的。 那么，什么是 linux kernel header呢？打个比方，我们使用一个第三方库（静态库或者动态库）的时候，除了库文件，往往还需要一些头文件，以便知道这些库文件中符号（其实这些也不是必须的，如果我们知道所有的符号的话，但这对linux kernel是不可能的）。 module编译也类似，我们编写驱动，需要用到很多很多kernel已有的机制（如各种framework，其它driver等等，这些表现出来的就是一个一个符号，位于各个模块的头文件中)。这也是为什么需要linux kernel header。 最后，没有安装在”内核源码树“上这一说法。module文件就像一个可执行文件（windows下的EXE，Linux的EFL，等等），需要由操作系统，加载到内存，解析并执行之。 linuxer 2014-09-29 12:49 @forion：的确，我和蜗窝性格还是有些不一样的，我比较温和，他比较犀利，如果是一个人的话的确是有人格分裂的嫌疑，呵呵～～～ 工作不忙的时候别忘了也写写文章哦～～～蜗窝是大家的蜗窝，呵呵～～～ linuxer 2014-09-29 12:46 @perr：我们曾经在一个公司，有相同的理念，对linux kernel有相同的热情，自然也就很容易成为朋友，一起做事情。 我也是从蜗蜗那里学到很多，我很少见到有一个年轻人能象蜗蜗那么有大局观。 我们经常通话，确定短期内的方向，当然不会写重复的，呵呵～～～ linuxer 2014-09-29 12:59 @perr：clocksource是linux时间子系统的一部分，我搞完中断子系统这部分，下一个专题就是时间子系统了。 clk是和clock distribution相关的内容，属于内核common clock framework，可以归入电源管理子系统，蜗蜗同学应该会写这部分内容的 蜗蜗 2014-09-29 22:35 @perr：device tree的设备节点，准确的说，是用来描述资源，例如device的I/O memory、IRQ number等。系统启动后，device tree会把这些节点统统挂到struct device的of_node指针上。 另外，对于一些标准资源（IO、IRQ、DMA、GPIO、等等），device tree会帮助解析（需要和对应的framework交互），并以platform resource（struct resource）的形式保存下来，因此driver可以通过platform_get_xxx系列接口获取。 而对于一些非标准节点（如自定义的配置参数），则需要调用of_xxx系列接口，自行解析。 要完全分析清楚，估计也得一篇不短的文章啊，Linuxer写了三篇DTS的文章，把DTS的原理分析的很透彻了。如果能从这个角度，再写一篇，阐述从Linux驱动开发者的角度，怎么使用，就perfect了。哈哈。 |
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来自： 老匹夫 > 《Device Driver》
