让天堂的归天堂，让尘土的归尘土——谈Linux的总线、设备、驱动模型
让天堂的归天堂，让尘土的归尘土
——谈Linux的总线、设备、驱动模型
作者：宋宝华
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公元1951年5月15日的国会听证上，美国陆军五星上将麦克阿瑟建议把朝鲜战争扩大至中国，布莱德利随后发言：“如果我们把战争扩大到共产党中国，那么我们会被卷入到一场错误的时间，错误的地点同错误的对手打的一场错误的战争中。”
写代码，适用于同样的原则，那就是把正确的代码放到正确的位置而不是相反。同样的一个代码，可以出现在多个可能的位置，它究竟应该出现在哪里，是软件架构设计的结果，说白了一切都是为了高内聚和低耦合。
陷入绝境
下面我们设想一个名字叫做ABC的简单的网卡，它需要接在一个CPU（假设CPU为X）的内存总线上，需要地址、数据和控制总线（以及中断pin脚等）。
那么在ABC的网卡驱动里面，我们需要定义ABC的基地址、中断号等信息。假设在CPU X的电路板上面，ABC的地址为0x100000，中断号为10。假设我们是这样定义的宏：
#define ABC_BASE 0x100000
#define ABC_IRQ 10
并且这样写代码完成发送报文和初始化申请中断：
#define ABC_BASE 0x100000
#define ABC_IRQ 10
int abc_send(...)
{
writel(ABC_BASE + REG_X, 1);
writel(ABC_BASE + REG_Y, 0x3);
...
}
int abc_init(...)
{
request_irq(ABC_IRQ,...);
}
这个代码的问题在于，一旦重新换板子，ABC_BASE和ABC_IRQ就不再一样，代码也需要随之变更。
有的程序员说我可以这么干：
#ifdef BOARD_A
#define ABC_BASE 0x100000
#define ABC_IRQ 10
#elif defined(BOARD_B)
#define ABC_BASE 0x110000
#define ABC_IRQ 20
#elif defined(BOARD_C)
#define ABC_BASE 0x120000
#define ABC_IRQ 10
...
#endif
这么干固然是可以，但是如果你有1万个不同的板子，你就要ifdef一万次，这样写代码，找到了一种明显的砌墙的感觉（你感觉写代码，就跟砌墙似的，一块块砖头一样放进去的时候，简单重复机械，这个时候，就很危险了，可能代码里面就已经出现了不好的“味道”）。考虑到Linux向全世界各个产品适配，各种硬件适配的特点，究竟有多少个板子用ABC，还真的谁也说不清楚。
那么，是不是真的#ifdef走一万次，就一定能解决问题呢？还真的是不能。假设有一个电路板有2个ABC网卡，就彻底傻眼了。难道这样定义？
#ifdef BOARD_A
#define ABC1_BASE 0x100000
#define ABC1_IRQ 10
#define ABC2_BASE 0x101000
#define ABC2_IRQ 11
#elif defined(BOARD_B)
#define ABC1_BASE 0x110000
#define ABC1_IRQ 20
...
#endif
如果这样做，abc_send()和abc_init()又该如何改？难道这样：
int abc1_send(...)
{
writel(ABC1_BASE + REG_X, 1);
writel(ABC1_BASE + REG_Y, 0x3);
...
}
int abc1_init(...)
{
request_irq(ABC1_IRQ,...);
}
int abc2_send(...)
{
writel(ABC2_BASE + REG_X, 1);
writel(ABC2_BASE + REG_Y, 0x3);
...
}
int abc2_init(...)
{
request_irq(ABC2_IRQ,...);
}
…
还是这样？
int abc_send(int id, ...)
{
if (id == 0) {
writel(ABC1_BASE + REG_X, 1);
writel(ABC1_BASE + REG_Y, 0x3);
} else if (id == 1) {
writel(ABC2_BASE + REG_X, 1);
writel(ABC2_BASE + REG_Y, 0x3);
}
...
}
无论你怎么改，这个代码实在都已经是惨不忍睹了，连自己都看不下去了。我们为什么会陷入这样的困境，是因为我们犯了未能“把正确的代码，放入正确的位置的错误”，这样引入了极大的耦合。
迷途反思
我们犯的致命的错误，在于把板级互连信息，耦合进了驱动的代码，导致驱动无法跨平台。
我们转念想一想，ABC的驱动的真正职责是完成ABC网卡的收发流程，试问，这个流程，真的与它接在什么CPU（TI、三星、Broad、Allwinner等）有半毛钱关系吗？又和接在哪个板子上有半毛钱关系吗？
答案是真的没有什么关系！ABC网卡，不会因为你是TI的ARM，你是龙芯，还是你是Blackfin有什么不同。任你外面什么板子排山倒海，狗急跳墙，ABC自己都是岿然不动。
既然没有什么关系，那么这些板子级别的互连信息，又为什么要放在驱动的代码里面呢？基本上，我们可以认为，ABC不会因谁而变，所以它的代码应该是天然跨平台的。故此，我们认为“#defineABC_BASE 0x100000, #define ABC_IRQ 10”这样的代码，出现在驱动里面，属于“在错误的地点，和错误的敌人，打一场错误的战争”。它没有被放在正确的位置上，而我们写代码，一定“让天堂的归天堂， 让尘土的归尘土”。我们真实的期待，恐怕是这个样子：
软件工程强调高内聚、低耦合。若一个模块内各元素联系的越紧密，则它的内聚性就越高；模块之间联系越不紧密，其耦合性就越低。所以高内聚、低耦合强调，内部的要紧紧抱团，外面的给我滚蛋。对于驱动而言，板级互连信息，显然属于应该滚蛋的。每个软件模块最好是一个宅男，不谈恋爱，不看电影，不吃大餐，不踢足够，和外界唯一的联系就是“饿了吗”，这样的软件，显然是又高内聚、又低耦合。
有一次我在一个德国外企，问到工程师们“高内聚和低耦合是什么关系”，有一个工程师非常积极地回答，“高内聚和低耦合是一对矛盾”。我觉得他的脑子好乱，如果一定要用一个关系来描述高内聚和低耦合的关系，我认为他们符合马列主义，毛泽东思想强调的“高内聚和低耦合，相互依存，缺一不可，相辅相成，共同促进”，它其实反映了同一个事物两个不同的侧面，总之，把政治课本背一遍就对了。你写个串口的代码，里面从头到尾都是串口相关的东西，聚地紧，它也自然不会满世界乱跑到SPI里面去耦合。SPI要和串口低耦合，它也势必要求UART内部代码把串口的东东全部聚一起，不要乱窜，没有SPI的户口，居住证也不发给你，就给我滚回老家去。
柳岸花明
现在板级互连信息已经和驱动分离开来了，让它们彼此出现在不同的软件模块。但是，最终它们仍然有一定的联系，因为，驱动最终还是要取出基地址、中断号等板级信息的。怎么取，这是个大问题。
一种方法是ABC的驱动满世界询问各个板子，“请问你的基地址，中断号是几？”，“你妈贵姓？”这仍然是一个严重的耦合。因为，驱动还是得知道板子上有没有ABC，哪个板子有，怎么个有法。它还是在和板子直接耦合。
可不可以有另外一种方法，我们维护一个共同的类似数据库的东西，板子上有什么网卡，基地址中断号是什么，都统一在一个地方维护。然后，驱动问一个统一的地方，通过一个统一的API来获取即好？
基于这样的想法，linux把设备驱动分为了总线、设备和驱动三个实体，总线是上图中的统一纽带，设备是上图中的板级互连信息，这三个实体完成的职责分别如下:
实体 | 功能 | 代码 |
设备 | 描述基地址、中断号、时钟、DMA、复位等信息 | arch/arm arch/blackfin arch/xxx 等目录 |
驱动 | 完成外设的功能，如网卡收发包，声卡录放，SD卡读写… | drivers/net sound drivers/mmc 等目录 |
总线 | 完成设备和驱动的关联 | drivers/base/platform.c drivers/pci/pci-driver.c … |
我们把所有的板子互连信息填入设备端，然后让设备端向总线注册告知总线自己的存在，总线上面自然关联了这些设备，并进一步间接关联了设备的板级连接信息。比如arch/blackfin/mach-bf533/boards/ip0x.c这块板子有2个DM9000的网卡，它是这样注册的：
static struct resource dm9000_resource1[] = {
{
.start = 0x20100000,
.end = 0x20100000 + 1,
.flags = IORESOURCE_MEM
},{
.start = 0x20100000 + 2,
.end = 0x20100000 + 3,
.flags = IORESOURCE_MEM
},{
.start = IRQ_PF15,
.end = IRQ_PF15,
.flags = IORESOURCE_IRQ | IORESOURCE_IRQ_HIGHEDGE
}
};
static struct resource dm9000_resource2[] = {
{
.start = 0x20200000,
.end = 0x20200000 + 1,
.flags = IORESOURCE_MEM
}…
};
…
static struct platform_device dm9000_device1 = {
.name = "dm9000",
.id = 0,
.num_resources = ARRAY_SIZE(dm9000_resource1),
.resource = dm9000_resource1,
};
…
static struct platform_device dm9000_device2 = {
.name = "dm9000",
.id = 1,
.num_resources = ARRAY_SIZE(dm9000_resource2),
.resource = dm9000_resource2,
};
static struct platform_device *ip0x_devices[] __initdata = {
&dm9000_device1,
&dm9000_device2,
…
};
static int __init ip0x_init(void)
{
platform_add_devices(ip0x_devices, ARRAY_SIZE(ip0x_devices));
…
}
这样platform的总线这个统一纽带上，自然就知道板子上面有2个DM9000的网卡。一旦DM9000的驱动也被注册，由于platform总线已经关联了设备，驱动自然可以根据已经存在的DM9000设备信息，获知如下的内存基地址、中断等信息了：
static struct resource dm9000_resource1[] = {
{
.start = 0x20100000,
.end = 0x20100000 + 1,
.flags = IORESOURCE_MEM
},{
.start = 0x20100000 + 2,
.end = 0x20100000 + 3,
.flags = IORESOURCE_MEM
},{
.start = IRQ_PF15,
.end = IRQ_PF15,
.flags = IORESOURCE_IRQ | IORESOURCE_IRQ_HIGHEDGE
}
};
总线存在的目的，则是把这些驱动和这些设备，一一配对的匹配在一起。如下图，某个电路板子上有2个ABC，1个DEF，1个HIJ设备，以及分别1个的ABC、DEF、HIJ驱动，那么总线，就是让2个ABC设备和1个ABC驱动匹配，DEF设备和驱动一对一匹配，HIJ设备和驱动一对一匹配。
驱动本身，则可以用最简单的API取出设备端填入的互连信息，看一下drivers/net/ethernet/davicom/dm9000.c的dm9000_probe()代码：
static int dm9000_probe(struct platform_device *pdev)
{
…
db->addr_res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
db->data_res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 1);
db->irq_res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_IRQ, 0);
…
}
这样，板级互连信息，再也不会闯入驱动，而驱动，看起来也没有和设备之间直接耦合，因为它调用的都是总线级别的标准API：platform_get_resource()。总线里面有个match()函数，来完成哪个设备由哪个驱动来服务的职责，比如对于挂在内存上的platform总线而言，它的匹配类似（最简单的匹配方法就是设备和驱动的name字段一样）：
static int platform_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev);
struct platform_driver *pdrv = to_platform_driver(drv);
/* When driver_override is set, only bind to the matching driver */
if (pdev->driver_override)
return !strcmp(pdev->driver_override, drv->name);
/* Attempt an OF style match first */
if (of_driver_match_device(dev, drv))
return 1;
/* Then try ACPI style match */
if (acpi_driver_match_device(dev, drv))
return 1;
/* Then try to match against the id table */
if (pdrv->id_table)
return platform_match_id(pdrv->id_table, pdev) != NULL;
/* fall-back to driver name match */
return (strcmp(pdev->name, drv->name) == 0);
}
VxBus是风河公司新的设备驱动程序架构,它是在VxWorks 6.2及以后版本被增加到VxWorks中的，直至VxWorks 6.9，基本都已经VxBus化了。但是，这个VxBus，可以说和Linux的总线、设备、驱动模型是极大地雷同的。但是，请问，你为什么要叫VxBus呢，它非常地Vx吗？
所以，这个时候我们看到的代码会是这样，无论是哪个板子的ABC设备，都统一使用了一个不变的drivers/net/ethernet/abc.c驱动，而arch/arm/mach-yyy/board-a.c这样的代码，则有很多很多份。
更上层楼
我们仍然看到大量的arch/arm/mach-yyy/board-a.c这样的代码，冲刺着描述板级信息的细节代码，尽管它本身已经和驱动解耦了。这些代码的存在，简直是对Linux内核的污染和对Linus Torvalds的无情藐视，因为，太木有技术含量了！
我们有理由，把这些设备端的信息，用一个非C的脚本语言来描述，这个脚本文件，就是传说中的Device Tree（设备树）。
设备树，是一种dts文件，它用最简单的语法描述每个板子上的所有设备，以及这些设备的连接信息。比如arch/arm/boot/dts/ imx1-apf9328.dts下面的DM9000就是这样的脚本，基地址、中断号都成为了DM9000设备节点的一个属性：
eth: eth@4,c00000 {
compatible = "davicom,dm9000";
reg = <
4 0x00c00000 0x2
4 0x00c00002 0x2
>;
interrupt-parent = <&gpio2>;
interrupts = <14 IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>;
…
};
之后，C代码被剔除，arch/arm/mach-xxx/board-a.c这样的文件永远地进入了历史的故纸堆，代码就变成这样的架构，换个板子，只要换个Device Tree就好。“让天堂的归天堂， 让尘土的归尘土”，让驱动的归驱动C代码，让设备的归设备树脚本。
我们很高兴也很悲痛地看到，VxWorks 7的新版，也采用Device Tree了。我们高兴的是，它终于来了；我们悲痛的是，它终于又来晚了。Linux的车轮滚滚向前，无情碾压一切。人类的千年轨迹，沧海桑田，斗转星移，重复地进行着历史的归于历史，未来还是归于历史的过程。这是现实的悲怆，也是历史的豪迈。
《孙子兵法》曰：“水因地而制流，兵因敌而制胜。故兵无常势，水无常形；能因敌变化而取胜者，谓之神。”一切不过是顺势而为，把正确的代码，安放到正确的位置。
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