我们在前面编写的设备驱动都非常的简单，都是对 IO进行最简单的读写操作。像I2C、SPI、 LCD 等这些复杂外设的驱动就不能这么去写了， Linux 系统要考虑到驱动的可重用性，因此提出了驱动的分离与分层这样的软件思路，在这个思路下诞生了platform 设备驱动，也叫做平台设备驱动。本章我们就来学习一下 Linux 下的驱动分离与分层，以及 platform 框架下的设备驱动该如何编写。

1. Linux 驱动的分离与分层

54.1.1 驱动的分隔与分离
对于 Linux 这样一个成熟、庞大、复杂的操作系统，代码的重用性非常重要，否则的话就会在 Linux 内核中存在大量无意义的重复代码。尤其是驱动程序，因为驱动程序占用了 Linux内核代码量的大头，如果不对驱动程序加以管理，任由重复的代码肆意增加，那么用不了多久Linux 内核的文件数量就庞大到无法接受的地步。

假如现在有三个平台 A、 B 和 C，这三个平台(这里的平台说的是 SOC)上都有 MPU6050 这个 I2C接口的六轴传感器，按照我们写裸机 I2C 驱动的时候的思路，每个平台都有一个 MPU6050的驱动，因此编写出来的最简单的驱动框架如图 54.1.1 所示：

从图 54.1.1.1 可以看出，每种平台下都有一个主机驱动和设备驱动，主机驱动肯定是必须要的，毕竟不同的平台其 I2C 控制器不同。但是右侧的设备驱动就没必要每个平台都写一个，因为不管对于那个 SOC 来说， MPU6050 都是一样，通过 I2C 接口读写数据就行了，只需要一个 MPU6050 的驱动程序即可。如果再来几个 I2C 设备，比如 AT24C02、 FT5206(电容触摸屏)等，如果按照图 54.1.1 中的写法，那么设备端的驱动将会重复的编写好几次。显然在 Linux 驱动程序中这种写法是不推荐的，最好的做法就是每个平台的 I2C 控制器都提供一个统一的接口(也叫做主机驱动)，每个设备的话也只提供一个驱动程序(设备驱动)，每个设备通过统一的 I2C接口驱动来访问，这样就可以大大简化驱动文件，比如 54.1.1 中三种平台下的 MPU6050 驱动框架就可以简化为图 54.1.1.2 所示：

实际的 I2C 驱动设备肯定有很多种，不止 MPU6050 这一个，那么实际的驱动架构如图54.1.1.3 所示：

这个就是驱动的分隔，也就是将主机驱动和设备驱动分隔开来，比如 I2C、 SPI 等等都会采用驱动分隔的方式来简化驱动的开发。在实际的驱动开发中，一般 I2C 主机控制器驱动已经由半导体厂家编写好了，而设备驱动一般也由设备器件的厂家编写好了，我们只需要提供设备信息即可，比如 I2C 设备的话提供设备连接到了哪个 I2C 接口上， I2C 的速度是多少等等。相当于将设备信息从设备驱动中剥离开来，驱动使用标准方法去获取到设备信息(比如从设备树中获取到设备信息)，然后根据获取到的设备信息来初始化设备。 这样就相当于驱动只负责驱动，设备只负责设备，想办法将两者进行匹配即可。这个就是 Linux 中的总线(bus)、驱动(driver)和设备(device)模型，也就是常说的驱动分离。总线就是驱动和设备信息的月老，负责给两者牵线搭桥，如图 54.1.1.4 所示：

当我们向系统注册一个驱动的时候，总线就会在右侧的设备中查找，看看有没有与之匹配的设备，如果有的话就将两者联系起来。同样的，当向系统中注册一个设备的时候，总线就会在左侧的驱动中查找看有没有与之匹配的设备，有的话也联系起来。 Linux 内核中大量的驱动程序都采用总线、驱动和设备模式，我们一会要重点讲解的 platform 驱动就是这一思想下的产物。

1.2 驱动的分层

上一小节讲了驱动的分隔与分离，本节我们来简单看一下驱动的分层，大家应该听说过网络的 7 层模型，不同的层负责不同的内容。同样的， Linux 下的驱动往往也是分层的，分层的目的也是为了在不同的层处理不同的内容。以其他书籍或者资料常常使用到的input子系统为例，简单介绍一下驱动的分层。 input 子系统负责管理所有跟输入有关的驱动，包括键盘、鼠标、触摸等，最底层的就是设备原始驱动，负责获取输入设备的原始值，获取到的输入事件上报给 input 核心层。 input 核心层会处理各种 IO 模型，并且提供 file_operations 操作集合。我们在编写输入设备驱动的时候只需要处理好输入事件的上报即可，至于如何处理这些上报的输入事件那是上层去考虑的，我们不用管。可以看出借助分层模型可以极大的简化我们的驱动编写，对于驱动编写来说非常的友好。

2.platform 平台驱动模型简介

前面我们讲了设备驱动的分离，并且引出了总线(bus)、驱动(driver)和设备(device)模型，比如 I2C、 SPI、 USB 等总线。但是在 SOC 中有些外设是没有总线这个概念的，但是又要使用总线、驱动和设备模型该怎么办呢？为了解决此问题， Linux 提出了 platform 这个虚拟总线，相应的就有 platform_driver 和 platform_device。

2.1 platform 总线

Linux系统内核使用bus_type 结构体表示总线，此结构体定义在文件 include/linux/device.h，bus_type 结构体内容如下：

1 struct bus_type {
2         const char *name; /* 总线名字 */
3         const char *dev_name;
4         struct device *dev_root;
5         struct device_attribute *dev_attrs;
6         const struct attribute_group **bus_groups; /* 总线属性 */
7         const struct attribute_group **dev_groups; /* 设备属性 */
8         const struct attribute_group **drv_groups; /* 驱动属性 */
9
10         int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
11         int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
12         int (*probe)(struct device *dev);
13         int (*remove)(struct device *dev);
14         void (*shutdown)(struct device *dev);
15
16         int (*online)(struct device *dev);
17         int (*offline)(struct device *dev);
18         int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
19         int (*resume)(struct device *dev);
20         const struct dev_pm_ops *pm;
21         const struct iommu_ops *iommu_ops;
22         struct subsys_private *p;
23         struct lock_class_key lock_key;
24 };

第 10 行， match 函数，此函数很重要，单词 match 的意思就是“匹配、相配”，因此此函数就是完成设备和驱动之间匹配的，总线就是使用 match 函数来根据注册的设备来查找对应的驱动，或者根据注册的驱动来查找相应的设备，因此每一条总线都必须实现此函数。 match 函数有两个参数： dev 和 drv，这两个参数分别为 device 和 device_driver 类型，也就是设备和驱动。

platform 总线是 bus_type 的一个具体实例，定义在文件 drivers/base/platform.c， platform 总线定义如下：

示例代码 54.2.1.2 platform 总线实例
1 struct bus_type platform_bus_type = {
2         .name = "platform",
3         .dev_groups = platform_dev_groups,
4         .match = platform_match,
5         .uevent = platform_uevent,
6         .pm = &platform_dev_pm_ops,
7 };

platform_bus_type 就是 platform 平台总线，其中 platform_match 就是匹配函数。我们来看一下驱动和设备是如何匹配的，platform_match 函数定义在文件 drivers/base/platform.c 中，函数内容如下所示：

1 static int platform_match(struct device *dev,
                            struct device_driver *drv)
2 {
3         struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev);
4         struct platform_driver *pdrv = to_platform_driver(drv);
5
6         /*When driver_override is set,only bind to the matching driver*/
7         if (pdev->driver_override)
8             return !strcmp(pdev->driver_override, drv->name);
9
10         /* Attempt an OF style match first */
11         if (of_driver_match_device(dev, drv))
12             return 1;
13
14         /* Then try ACPI style match */
15         if (acpi_driver_match_device(dev, drv))
16             return 1;
17
18         /* Then try to match against the id table */
19         if (pdrv->id_table)
20             return platform_match_id(pdrv->id_table, pdev) != NULL;
21
22         /* fall-back to driver name match */
23         return (strcmp(pdev->name, drv->name) == 0);
24 }

驱动和设备的匹配有四种方法，我们依次来看一下：
第 11~12 行，第一种匹配方式， OF 类型的匹配，也就是设备树采用的匹配方式，of_driver_match_device 函数定义在文件include/linux/of_device.h 中。 device_driver 结构体(表示设备驱动)中有个名为of_match_table的成员变量，此成员变量保存着驱动的compatible匹配表，设备树中的每个设备节点的 compatible 属性会和 of_match_table 表中的所有成员比较，查看是否有相同的条目，如果有的话就表示设备和此驱动匹配，设备和驱动匹配成功以后 probe 函数就会执行。
第 15~16 行，第二种匹配方式， ACPI 匹配方式。
第 19~20 行，第三种匹配方式， id_table 匹配，每个 platform_driver 结构体有一个 id_table成员变量，顾名思义，保存了很多 id 信息。这些 id 信息存放着这个 platformd 驱动所支持的驱动类型。
第 23 行，第四种匹配方式，如果第三种匹配方式的 id_table 不存在的话就直接比较驱动和设备的 name 字段，看看是不是相等，如果相等的话就匹配成功。

对于支持设备树的 Linux 版本号，一般设备驱动为了兼容性都支持设备树和无设备树两种匹配方式。也就是第一种匹配方式一般都会存在，第三种和第四种只要存在一种就可以，一般用的最多的还是第四种，也就是直接比较驱动和设备的 name 字段，毕竟这种方式最简单了。

2.2 platform 驱动

platform_driver 结 构 体 表 示 platform 驱 动 ， 此 结 构 体 定 义 在 文 件include/linux/platform_device.h 中，内容如下：

1 struct platform_driver {
2         int (*probe)(struct platform_device *);
3         int (*remove)(struct platform_device *);
4         void (*shutdown)(struct platform_device *);
5         int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);
6         int (*resume)(struct platform_device *);
7         struct device_driver driver;
8         const struct platform_device_id *id_table;
9         bool prevent_deferred_probe;
10 };

第 2 行， probe 函数，当驱动与设备匹配成功以后 probe 函数就会执行，非常重要的函数！！一般驱动的提供者会编写，如果自己要编写一个全新的驱动，那么 probe 就需要自行实现。
第 7 行， driver 成员，为 device_driver 结构体变量， Linux 内核里面大量使用到了面向对象的思维， device_driver 相当于基类，提供了最基础的驱动框架。 plaform_driver 继承了这个基类，然后在此基础上又添加了一些特有的成员变量。
第 8 行， id_table 表，也就是我们上一小节讲解 platform 总线匹配驱动和设备的时候采用的第三种方法， id_table 是个表( 也就是数组) ，每个元素的类型为 platform_device_id，platform_device_id 结构体内容如下：

1 struct platform_device_id {
2         char name[PLATFORM_NAME_SIZE];
3         kernel_ulong_t driver_data;
4 };

device_driver 结构体定义在 include/linux/device.h， device_driver 结构体内容如下：

1 struct device_driver {
2         const char *name;
3         struct bus_type *bus;
4
5         struct module *owner;
6         const char *mod_name; /* used for built-in modules */
7
8         bool suppress_bind_attrs; /* disables bind/unbind via sysfs */
9
10         const struct of_device_id *of_match_table;
11         const struct acpi_device_id *acpi_match_table;
12
13         int (*probe) (struct device *dev);
14         int (*remove) (struct device *dev);
15         void (*shutdown) (struct device *dev);
16         int (*suspend) (struct device *dev, pm_message_t state);
17         int (*resume) (struct device *dev);
18         const struct attribute_group **groups;
19
20         const struct dev_pm_ops *pm;
21
22         struct driver_private *p;
23 };

第 10 行， of_match_table 就是采用设备树的时候驱动使用的匹配表，同样是数组，每个匹配项都为 of_device_id 结构体类型，此结构体定义在文件 include/linux/mod_devicetable.h 中，内容如下：

1 struct of_device_id {
2         char name[32];
3         char type[32];
4         char compatible[128];
5         const void *data;
6 };

第 4 行的 compatible 非常重要，因为对于设备树而言，就是通过设备节点的 compatible 属性值和 of_match_table 中每个项目的 compatible 成员变量进行比较，如果有相等的就表示设备和此驱动匹配成功。

在编写 platform 驱动的时候，首先定义一个 platform_driver 结构体变量，然后实现结构体中的各个成员变量，重点是实现匹配方法以及 probe 函数。当驱动和设备匹配成功以后 probe函数就会执行，具体的驱动程序在 probe 函数里面编写，比如字符设备驱动等等。

当我们定义并初始化好 platform_driver 结构体变量以后，需要在驱动入口函数里面调用platform_driver_register 函数向 Linux 内核注册一个 platform 驱动， platform_driver_register 函数原型如下所示：

int platform_driver_register (struct platform_driver *driver)

函数参数和返回值含义如下：
driver：要注册的 platform 驱动。
返回值： 负数，失败； 0，成功。

还需要在驱动卸载函数中通过 platform_driver_unregister 函数卸载 platform 驱动，platform_driver_unregister 函数原型如下：

void platform_driver_unregister(struct platform_driver *drv)

函数参数和返回值含义如下：
drv：要卸载的 platform 驱动。
返回值： 无。

platform 驱动框架如下所示：

/* 设备结构体 */
1 struct xxx_dev{
2         struct cdev cdev;
3         /* 设备结构体其他具体内容 */
4 };
5
6 struct xxx_dev xxxdev; /* 定义个设备结构体变量 */
7
8 static int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp)
9 {
10         /* 函数具体内容 */
11         return 0;
12 }
13
14 static ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf,
                                size_t cnt, loff_t *offt)
15 {
16         /* 函数具体内容 */
17         return 0;
18 }
19
20 /*
21  * 字符设备驱动操作集
22  */
23 static struct file_operations xxx_fops = {
24         .owner = THIS_MODULE,
25         .open = xxx_open,
26         .write = xxx_write,
27 };
28
29 /*
30 * platform 驱动的 probe 函数
31 * 驱动与设备匹配成功以后此函数就会执行
32 */
33 static int xxx_probe(struct platform_device *dev)
34 {
35         ......
36         cdev_init(&xxxdev.cdev, &xxx_fops); /* 注册字符设备驱动 */
37         /* 函数具体内容 */
38         return 0;
39 }
40
41 static int xxx_remove(struct platform_device *dev)
42 {
43         ......
44         cdev_del(&xxxdev.cdev);/* 删除 cdev */
45         /* 函数具体内容 */
46         return 0;
47 }
48
49 /* 匹配列表 */
50 static const struct of_device_id xxx_of_match[] = {
51         { .compatible = "xxx-gpio" },
52         { /* Sentinel */ }
53 };
54
55 /*
56 * platform 平台驱动结构体
57 */
58 static struct platform_driver xxx_driver = {
59         .driver = {
60         .name = "xxx",
61         .of_match_table = xxx_of_match,
62 },
63         .probe = xxx_probe,
64         .remove = xxx_remove,
65 };
66
67 /* 驱动模块加载 */
68 static int __init xxxdriver_init(void)
69 {
70         return platform_driver_register(&xxx_driver);
71 }
72
73 /* 驱动模块卸载 */
74 static void __exit xxxdriver_exit(void)
75 {
76         platform_driver_unregister(&xxx_driver);
77 }
78
79 module_init(xxxdriver_init);
80 module_exit(xxxdriver_exit);
81 MODULE_LICENSE("GPL");
82 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

第 1~27 行，传统的字符设备驱动，所谓的 platform 驱动并不是独立于字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动之外的其他种类的驱动。 platform 只是为了驱动的分离与分层而提出来的一种框架，其驱动的具体实现还是需要字符设备驱动、块设备驱动或网络设备驱动。
第 33~39 行， xxx_probe 函数，当驱动和设备匹配成功以后此函数就会执行，以前在驱动入口 init 函数里面编写的字符设备驱动程序就全部放到此 probe 函数里面。比如注册字符设备驱动、添加 cdev、创建类等等。
第 41~47 行， xxx_remove 函数， platform_driver 结构体中的 remove 成员变量， 当关闭 platform
设备驱动的时候此函数就会执行，以前在驱动卸载 exit 函数里面要做的事情就放到此函数中来。比如，使用 iounmap 释放内存、删除 cdev，注销设备号等等。
第 50~53 行， xxx_of_match 匹配表，如果使用设备树的话将通过此匹配表进行驱动和设备的匹配。第 51 行设置了一个匹配项，此匹配项的 compatible 值为“xxx-gpio”，因此当设备树中设备节点的 compatible 属性值为“xxx-gpio”的时候此设备就会与此驱动匹配。第 52 行是一个标记， of_device_id 表最后一个匹配项必须是空的。
第 58~65 行，定义一个 platform_driver 结构体变量 xxx_driver，表示 platform 驱动，第 59~62行设置 paltform_driver 中的 device_driver 成员变量的 name 和 of_match_table 这两个属性。其中name 属性用于传统的驱动与设备匹配，也就是检查驱动和设备的 name 字段是不是相同。
of_match_table 属性就是用于设备树下的驱动与设备检查。对于一个完整的驱动程序，必须提供有设备树和无设备树两种匹配方法。最后 63 和 64 这两行设置 probe 和 remove 这两成员变量。
第68~71行，驱动入口函数，调用platform_driver_register函数向Linux内核注册一个platform驱动，也就是上面定义的 xxx_driver 结构体变量。
第 74~77 行，驱动出口函数，调用 platform_driver_unregister 函数卸载前面注册的 platform驱动。

总体来说， platform 驱动还是传统的字符设备驱动、块设备驱动或网络设备驱动，只是套上了一张“platform” 的皮，目的是为了使用总线、驱动和设备这个驱动模型来实现驱动的分离与分层。

2.3 platform 设备

platform 驱动已经准备好了，我们还需要 platform 设备，否则的话单单一个驱动也做不了什么。 platform_device 这个结构体表示 platform 设备，这里我们要注意，如果内核支持设备树的话就不要再使用 platform_device 来描述设备了，因为改用设备树去描述了。当然了，你如果一定要用 platform_device 来描述设备信息的话也是可以的。 platform_device 结构体定义在文件include/linux/platform_device.h 中，结构体内容如下：

22 struct platform_device {
23         const char *name;
24         int id;
25         bool id_auto;
26         struct device dev;
27         u32 num_resources;
28         struct resource *resource;
29
30         const struct platform_device_id *id_entry;
31         char *driver_override; /* Driver name to force a match */
32
33         /* MFD cell pointer */
34         struct mfd_cell *mfd_cell;
35
36         /* arch specific additions */
37         struct pdev_archdata archdata;
38 };

第 23 行， name 表示设备名字，要和所使用的 platform 驱动的 name 字段相同，否则的话设备就无法匹配到对应的驱动。比如对应的 platform 驱动的 name 字段为“xxx-gpio”，那么此 name字段也要设置为“xxx-gpio”。
第 27 行， num_resources 表示资源数量，一般为第 28 行 resource 资源的大小。
第 28 行， resource 表示资源，也就是设备信息，比如外设寄存器等。 Linux 内核使用 resource结构体表示资源， resource 结构体内容如下：

18 struct resource {
19         resource_size_t start;
20         resource_size_t end;
21         const char *name;
22         unsigned long flags;
23         struct resource *parent, *sibling, *child;
24 };

start 和 end 分别表示资源的起始和终止信息，对于内存类的资源，就表示内存起始和终止地址， name 表示资源名字， flags 表示资源类型，可选的资源类型都定义在了文件include/linux/ioport.h 里面，如下所示：

29 #define IORESOURCE_BITS 0x000000ff /* Bus-specific bits */
30
31 #define IORESOURCE_TYPE_BITS 0x00001f00 /* Resource type */
32 #define IORESOURCE_IO 0x00000100 /* PCI/ISA I/O ports */
33 #define IORESOURCE_MEM 0x00000200
34 #define IORESOURCE_REG 0x00000300 /* Register offsets */
35 #define IORESOURCE_IRQ 0x00000400
36 #define IORESOURCE_DMA 0x00000800
37 #define IORESOURCE_BUS 0x00001000
......
104 /* PCI control bits. Shares IORESOURCE_BITS with above PCI ROM. */
105 #define IORESOURCE_PCI_FIXED (1<<4) /* Do not move resource */

在以前不支持设备树的Linux版本中，用户需要编写platform_device变量来描述设备信息，然后使用 platform_device_register 函数将设备信息注册到 Linux 内核中，此函数原型如下所示：

int platform_device_register(struct platform_device *pdev)

函数参数和返回值含义如下：
pdev：要注册的 platform 设备。
返回值： 负数，失败； 0，成功。

如果不再使用 platform设备 的话可以通过 platform_device_unregister 函数注销掉相应的 platform设备， platform_device_unregister 函数原型如下：

void platform_device_unregister(struct platform_device *pdev)

函数参数和返回值含义如下：
pdev：要注销的 platform 设备。
返回值： 无。

platform 设备信息框架如下所示：

1 /* 寄存器地址定义*/
2 #define PERIPH1_REGISTER_BASE (0X20000000) /* 外设 1 寄存器首地址 */
3 #define PERIPH2_REGISTER_BASE (0X020E0068) /* 外设 2 寄存器首地址 */
4 #define REGISTER_LENGTH 4
5
6 /* 资源 */
7 static struct resource xxx_resources[] = {
8         [0] = {
9         .start = PERIPH1_REGISTER_BASE,
10         .end = (PERIPH1_REGISTER_BASE + REGISTER_LENGTH - 1),
11         .flags = IORESOURCE_MEM,
12         },
13         [1] = {
14         .start = PERIPH2_REGISTER_BASE,
15         .end = (PERIPH2_REGISTER_BASE + REGISTER_LENGTH - 1),
16         .flags = IORESOURCE_MEM,
17         },
18 };
19
20 /* platform 设备结构体 */
21 static struct platform_device xxxdevice = {
22         .name = "xxx-gpio",
23         .id = -1,
24         .num_resources = ARRAY_SIZE(xxx_resources),
25         .resource = xxx_resources,
26 };
27
28 /* 设备模块加载 */
29 static int __init xxxdevice_init(void)
30 {
31         return platform_device_register(&xxxdevice);
32 }
33
34 /* 设备模块注销 */
35 static void __exit xxx_resourcesdevice_exit(void)
36 {
37         platform_device_unregister(&xxxdevice);
38 }
39
40 module_init(xxxdevice_init);
41 module_exit(xxxdevice_exit);
42 MODULE_LICENSE("GPL");
43 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

第 7~18 行，数组 xxx_resources 表示设备资源，一共有两个资源，分别为设备外设 1 和外设 2 的寄存器信息。因此 flags 都为 IORESOURCE_MEM，表示资源为内存类型的。
第 21~26 行， platform 设备结构体变量，注意 name 字段要和所使用的驱动中的 name 字段一致，否则驱动和设备无法匹配成功。 num_resources 表示资源大小，其实就是数组 xxx_resources的元素数量，这里用 ARRAY_SIZE 来测量一个数组的元素个数。
第 29~32 行，设备模块加载函数，在此函数中调用 platform_device_register 向 Linux 内核注册 platform 设备。
第 35~38 行，设备模块卸载函数，在此函数中调用 platform_device_unregister 从 Linux 内核中卸载 platform 设备。

示例代码主要是在不支持设备树的 Linux 版本中使用的，当 Linux 内核支持了设备树以后就不需要用户手动去注册 platform 设备了。因为设备信息都放到了设备树中去描述，Linux 内核启动的时候会从设备树中读取设备信息，然后将其组织成 platform_device 形式，至于设备树到 platform_device 的具体过程就不去详细的追究了，感兴趣的可以去看一下，网上也有很多博客详细的讲解了整个过程。

关于 platform 下的总线、驱动和设备就讲解到这里，我们接下来就使用 platform 驱动框架来编写一个 LED 灯驱动。本实验分为两个，第一个实验我们不使用设备树来描述设备信息，我们采用自定义platform_device这种“古老”方式来编写LED的设备信息。第二个实验我们来编写设备树下的platform驱动，这样我们就掌握了无设备树和有设备树这两种 platform 驱动的开发方式。