讓天堂的歸天堂，讓塵土的歸塵土——談Linux的總線、設(shè)備、驅(qū)動模型

公元1951年5月15日的國會聽證上，美國陸軍五星上將麥克阿瑟建議把朝鮮戰(zhàn)爭擴(kuò)大至中國，布萊德利隨后發(fā)言：“如果我們把戰(zhàn)爭擴(kuò)大到×××中國，那么我們會被卷入到一場錯誤的時間，錯誤的地點(diǎn)同錯誤的對手打的一場錯誤的戰(zhàn)爭中?！?/span>

寫代碼，適用于同樣的原則，那就是把正確的代碼放到正確的位置而不是相反。同樣的一個代碼，可以出現(xiàn)在多個可能的位置，它究竟應(yīng)該出現(xiàn)在哪里，是軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果，說白了一切都是為了高內(nèi)核和低耦合。

1.   陷入絕境

下面我們設(shè)想一個名字叫做ABC的簡單的網(wǎng)卡，它需要接在一個CPU（假設(shè)CPU為X）的內(nèi)存總線上，需要地址、數(shù)據(jù)和控制總線（以及中斷pin腳等）。

那么在ABC的網(wǎng)卡驅(qū)動里面，我們需要定義ABC的基地址、中斷號等信息。假設(shè)在CPU X的電路板上面，ABC的地址為0x100000，中斷號為10。假設(shè)我們是這樣定義的宏：

#define ABC_BASE 0x100000  
#define ABC_INTERRUPT 10

并且這樣寫代碼完成發(fā)送報(bào)文和初始化申請中斷：

#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,...);  
}

這個代碼的問題在于，一旦重新?lián)Q板子，ABC_BASE和ABC_IRQ就不再一樣，代碼也需要隨之變更。

有的程序員說我可以這么干：

#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

這么干固然是可以，但是如果你有1萬個不同的板子，你就要ifdef一萬次，這樣寫代碼，找到了一種明顯的砌墻的感覺（你感覺寫代碼，就跟砌墻似的，一塊塊磚頭一樣放進(jìn)去的時候，簡單重復(fù)機(jī)械，這個時候，就很危險(xiǎn)了，可能代碼里面就已經(jīng)出現(xiàn)了不好的“味道”）?？紤]到Linux向全世界各個產(chǎn)品適配，各種硬件適配的特點(diǎn)，究竟有多少個板子用ABC，還真的誰也說不清楚。

那么，是不是真的#ifdef走一萬次，就一定能解決問題呢？還真的是不能。假設(shè)有一個電路板有2個ABC網(wǎng)卡，就徹底傻眼了。難道這樣定義？

#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

如果這樣做，abc_send()和abc_init()又該如何改？難道這樣：

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,...);  
}  
…

還是這樣？

int abc_send(int id, ...)  
{  
    if (id == 0) {  
            writel(ABC1_BASE + REG_X, 1);  
            writel(ABC1_BASE + REG_Y, 0x3);  
<span >  </span>} else if (id == 1) {  
            writel(ABC2_BASE + REG_X, 1);  
            writel(ABC2_BASE + REG_Y, 0x3);  
    }  
    ...  
}

無論你怎么改，這個代碼實(shí)在都已經(jīng)是慘不忍睹了，連自己都看不下去了。我們?yōu)槭裁磿萑脒@樣的困境，是因?yàn)槲覀兎噶宋茨堋鞍颜_的代碼，放入正確的位置的錯誤”，這樣引入了極大的耦合。

2.   迷途反思

我們犯的致命的錯誤，在于把板級互連信息，耦合進(jìn)了驅(qū)動的代碼，導(dǎo)致驅(qū)動無法跨平臺。

我們轉(zhuǎn)念想一想，ABC的驅(qū)動的真正職責(zé)是完成ABC網(wǎng)卡的收發(fā)流程，試問，這個流程，真的與它接在什么CPU（TI、三星、Broad、Allwinner等）有半毛錢關(guān)系嗎？又和接在哪個板子上有半毛錢關(guān)系嗎？

答案是真的沒有什么關(guān)系！ABC網(wǎng)卡，不會因?yàn)槟闶荰I的ARM，你是龍芯，還是你是Blackfin有什么不同。任你外面什么板子排山倒海，狗急跳墻，ABC自己都是巋然不動。

既然沒有什么關(guān)系，那么這些板子級別的互連信息，又為什么要放在驅(qū)動的代碼里面呢？基本上，我們可以認(rèn)為，ABC不會因誰而變，所以它的代碼應(yīng)該是天然跨平臺的。故此，我們認(rèn)為“#defineABC_BASE 0x100000, #define ABC_IRQ 10”這樣的代碼，出現(xiàn)在驅(qū)動里面，屬于“在錯誤的地點(diǎn)，和錯誤的敵人，打一場錯誤的戰(zhàn)爭”。它沒有被放在正確的位置上，而我們寫代碼，一定“讓天堂的歸天堂， 讓塵土的歸塵土”。我們真實(shí)的期待，恐怕是這個樣子：

軟件工程強(qiáng)調(diào)高內(nèi)聚、低耦合。若一個模塊內(nèi)各元素聯(lián)系的越緊密，則它的內(nèi)聚性就越高；模塊之間聯(lián)系越不緊密，其耦合性就越低。所以高內(nèi)聚、低耦合強(qiáng)調(diào)，內(nèi)部的要緊緊抱團(tuán)，外面的給我滾蛋。對于驅(qū)動而言，板級互連信息，顯然屬于應(yīng)該滾蛋的。每個軟件模塊最好是一個宅男，不談戀愛，不看電影，不吃大餐，不踢足夠，和外界唯一的聯(lián)系就是“餓了嗎”，這樣的軟件，顯然是又高內(nèi)聚、又低耦合。

 有一次我在一個德國外企，問到工程師們“高內(nèi)聚和低耦合是什么關(guān)系”，有一個工程師非常積極地回答，“高內(nèi)聚和低耦合是一對矛盾”。我覺得他的腦子好亂，如果一定要用一個關(guān)系來描述高內(nèi)聚和低耦合的關(guān)系，我認(rèn)為他們符合馬列主義，×××思想強(qiáng)調(diào)的“高內(nèi)聚和低耦合，相互依存，缺一不可，相輔相成，共同促進(jìn)”，它其實(shí)反映了同一個事物兩個不同的側(cè)面，總之，把政治課本背一遍就對了。

你寫個串口的代碼，里面從頭到尾都是串口相關(guān)的東西，聚地緊，它也自然不會滿世界亂跑到SPI里面去耦合。SPI要和串口低耦合，它也勢必要求UART內(nèi)部代碼把串口的東東全部聚一起，不要亂竄，沒有SPI的戶口，居住證也不發(fā)給你，就給我滾回老家去。

3.   柳岸花明

現(xiàn)在板級互連信息已經(jīng)和驅(qū)動分離開來了，讓它們彼此出現(xiàn)在不同的軟件模塊。但是，最終它們?nèi)匀挥幸欢ǖ穆?lián)系，因?yàn)椋?qū)動最終還是要取出基地址、中斷號等板級信息的。怎么取，這是個大問題。

一種方法是ABC的驅(qū)動滿世界詢問各個板子，“請問你的基地址，中斷號是幾？”，“你媽貴姓？”這仍然是一個嚴(yán)重的耦合。因?yàn)?，?qū)動還是得知道板子上有沒有ABC，哪個板子有，怎么個有法。它還是在和板子直接耦合。

可不可以有另外一種方法，我們維護(hù)一個共同的類似數(shù)據(jù)庫的東西，板子上有什么網(wǎng)卡，基地址中斷號是什么，都統(tǒng)一在一個地方維護(hù)。然后，驅(qū)動問一個統(tǒng)一的地方，通過一個統(tǒng)一的API來獲取即好？

基于這樣的想法，linux把設(shè)備驅(qū)動分為了總線、設(shè)備和驅(qū)動三個實(shí)體，總線是上圖中的統(tǒng)一紐帶，設(shè)備是上圖中的板級互連信息，這三個實(shí)體完成的職責(zé)分別如下:

我們把所有的板子互連信息填入設(shè)備端，然后讓設(shè)備端向總線注冊告知總線自己的存在，總線上面自然關(guān)聯(lián)了這些設(shè)備，并進(jìn)一步間接關(guān)聯(lián)了設(shè)備的板級連接信息。比如arch/blackfin/mach-bf533/boards/ip0x.c這塊板子有2個DM9000的網(wǎng)卡，它是這樣注冊的：

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));  
    …  
}

這樣platform的總線這個統(tǒng)一紐帶上，自然就知道板子上面有2個DM9000的網(wǎng)卡。一旦DM9000的驅(qū)動也被注冊，由于platform總線已經(jīng)關(guān)聯(lián)了設(shè)備，驅(qū)動自然可以根據(jù)已經(jīng)存在的DM9000設(shè)備信息，獲知如下的內(nèi)存基地址、中斷等信息了：

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  
    }  
};

總線存在的目的，則是把這些驅(qū)動和這些設(shè)備，一一配對的匹配在一起。如下圖，某個電路板子上有2個ABC，1個DEF，1個HIJ設(shè)備，以及分別1個的ABC、DEF、HIJ驅(qū)動，那么總線，就是讓2個ABC設(shè)備和1個ABC驅(qū)動匹配，DEF設(shè)備和驅(qū)動一對一匹配，HIJ設(shè)備和驅(qū)動一對一匹配。

驅(qū)動本身，則可以用最簡單的API取出設(shè)備端填入的互連信息，看一下drivers/net/ethernet/davicom/dm9000.c的dm9000_probe()代碼：

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);  
…  
}

這樣，板級互連信息，再也不會闖入驅(qū)動，而驅(qū)動，看起來也沒有和設(shè)備之間直接耦合，因?yàn)樗{(diào)用的都是總線級別的標(biāo)準(zhǔn)API：platform_get_resource()?？偩€里面有個match()函數(shù)，來完成哪個設(shè)備由哪個驅(qū)動來服務(wù)的職責(zé)，比如對于掛在內(nèi)存上的platform總線而言，它的匹配類似（最簡單的匹配方法就是設(shè)備和驅(qū)動的name字段一樣）：

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是風(fēng)河公司新的設(shè)備驅(qū)動程序架構(gòu),它是在VxWorks 6.2及以后版本被增加到VxWorks中的，直至VxWorks 6.9，基本都已經(jīng)VxBus化了。但是，這個VxBus，可以說和Linux的總線、設(shè)備、驅(qū)動模型是極大地雷同的。但是，請問，你為什么要叫VxBus呢，它非常地Vx嗎？

所以，這個時候我們看到的代碼會是這樣，無論是哪個板子的ABC設(shè)備，都統(tǒng)一使用了一個不變的drivers/net/ethernet/abc.c驅(qū)動，而arch/arm/mach-yyy/board-a.c這樣的代碼，則有很多很多份。

4. 更上層樓

我們?nèi)匀豢吹酱罅康腶rch/arm/mach-yyy/board-a.c這樣的代碼，沖刺著描述板級信息的細(xì)節(jié)代碼，盡管它本身已經(jīng)和驅(qū)動解耦了。這些代碼的存在，簡直是對Linux內(nèi)核的污染和對Linus Torvalds的無情藐視，因?yàn)?，太木有技術(shù)含量了！

我們有理由，把這些設(shè)備端的信息，用一個非C的腳本語言來描述，這個腳本文件，就是傳說中的Device Tree（設(shè)備樹）。

設(shè)備樹，是一種dts文件，它用最簡單的語法描述每個板子上的所有設(shè)備，以及這些設(shè)備的連接信息。比如arch/arm/boot/dts/ imx1-apf9328.dts下面的DM9000就是這樣的腳本，基地址、中斷號都成為了DM9000設(shè)備節(jié)點(diǎn)的一個屬性：

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代碼被剔除，arch/arm/mach-xxx/board-a.c這樣的文件永遠(yuǎn)地進(jìn)入了歷史的故紙堆，代碼就變成這樣的架構(gòu)，換個板子，只要換個Device Tree就好?！白屘焯玫臍w天堂， 讓塵土的歸塵土”，讓驅(qū)動的歸驅(qū)動C代碼，讓設(shè)備的歸設(shè)備樹腳本。

我們很高興也很悲痛地看到，VxWorks 7的新版，也采用Device Tree了。我們高興的是，它終于來了；我們悲痛的是，它終于又來晚了。Linux的車輪滾滾向前，無情碾壓一切。人類的千年軌跡，滄海桑田，斗轉(zhuǎn)星移，重復(fù)地進(jìn)行著歷史的歸于歷史，未來還是歸于歷史的過程。這是現(xiàn)實(shí)的悲愴，也是歷史的豪邁。

 《孫子兵法》曰：“水因地而制流，兵因敵而制勝。故兵無常勢，水無常形；能因敵變化而取勝者，謂之神?！币磺胁贿^是順勢而為，把正確的代碼，安放到正確的位置。

為了更進(jìn)一步深入地探討這個話題，CSDN學(xué)院聯(lián)合博主組織了2017年7月5日8PM~9PM的關(guān)于《探究Linux的總線、設(shè)備、驅(qū)動模型》直播活動，有314人參與了在線直播，活動已經(jīng)結(jié)束，想觀看錄播視頻的讀者可以進(jìn)入：

http://edu.csdn.net/huiyiCourse/detail/426?ref=0