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Linux Platform驱动模型全解析：从入门到精通

news 来源：原创 2025/6/24 1:54:45

Linux Platform驱动模型全解析：从入门到精通

1. Platform驱动模型概述

1.1 什么是Platform驱动模型

Platform驱动模型是Linux内核为处理非热插拔设备（通常是SoC集成外设）而设计的一套驱动框架。它通过虚拟的"platform总线"将硬件设备与驱动程序连接起来，实现了硬件描述与驱动实现的分离。

与PCI、USB等标准总线不同，platform总线是一种伪总线（pseudo-bus），用于管理那些没有真正物理总线的设备，如集成在SoC中的各种控制器（I2C、SPI、UART等）。

1.2 为什么需要Platform驱动模型

在嵌入式系统中，许多外设是直接集成在处理器芯片上的，它们：

不支持自动检测（非热插拔）
需要明确的初始化配置
资源（寄存器地址、中断号等）固定不变

传统的驱动开发方式需要将硬件信息硬编码在驱动代码中，导致：

驱动与硬件强耦合，移植性差
同一驱动需要为不同平台维护多个版本
内核编译配置复杂

Platform驱动模型通过分离设备描述和驱动实现解决了这些问题。

1.3 基本组成要素

Platform驱动模型包含三个核心组件：

Platform总线(bus_type)：虚拟总线platform_bus_type，负责匹配设备和驱动
Platform设备(platform_device)：描述硬件资源（寄存器地址、中断号等）
Platform驱动(platform_driver)：实现设备的具体操作逻辑

2. Platform设备详解

2.1 platform_device结构体

struct platform_device {const char *name;       // 设备名称，用于匹配驱动int id;                 // 设备实例IDstruct device dev;      // 内嵌的标准device结构体u32 num_resources;      // 资源数量struct resource *resource; // 资源数组// ...
};

关键字段说明：

name：设备名称，与驱动匹配的关键
resource：描述设备占用的硬件资源（内存、中断等）
dev.platform_data：指向设备私有数据的指针

2.2 资源描述：struct resource

struct resource {resource_size_t start;  // 资源起始地址resource_size_t end;    // 资源结束地址const char *name;       // 资源名称(可选)unsigned long flags;    // 资源类型标志// ...
};

常用flags类型：

IORESOURCE_MEM：内存映射IO资源
IORESOURCE_IRQ：中断资源
IORESOURCE_DMA：DMA通道

2.3 注册Platform设备

有三种主要方式注册platform设备：

静态注册（传统方式，已不推荐）：

struct platform_device my_device = {.name = "my-device",.id = -1,.resource = my_resources,.num_resources = ARRAY_SIZE(my_resources),
};
platform_device_register(&my_device);

动态注册：

struct platform_device *pdev;
pdev = platform_device_alloc("my-device", PLATFORM_DEVID_AUTO);
platform_device_add_resources(pdev, res, nres);
platform_device_add_data(pdev, &my_data, sizeof(my_data));
platform_device_add(pdev);

设备树方式（现代推荐方式）：

my_device: my-device@1000000 {compatible = "vendor,my-device";reg = <0x1000000 0x1000>;interrupts = <0 10 4>;// 其他属性...
};

设备树方式是目前最推荐的方式，它完全将硬件描述与驱动代码分离。

3. Platform驱动详解

3.1 platform_driver结构体

struct platform_driver {int (*probe)(struct platform_device *);int (*remove)(struct platform_device *);void (*shutdown)(struct platform_device *);int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);int (*resume)(struct platform_device *);struct device_driver driver;const struct platform_device_id *id_table;// ...
};

关键成员说明：

probe：设备匹配成功后调用的初始化函数
remove：设备移除时调用的清理函数
driver：内嵌的标准driver结构体，包含name、owner等
id_table：支持的设备ID表（用于非设备树匹配）

3.2 驱动注册方式

标准注册：

static struct platform_driver my_driver = {.probe = my_probe,.remove = my_remove,.driver = {.name = "my-device",.owner = THIS_MODULE,},
};
module_platform_driver(my_driver);

带设备树的注册：

static const struct of_device_id my_of_ids[] = {{ .compatible = "vendor,my-device" },{}
};static struct platform_driver my_driver = {.probe = my_probe,.remove = my_remove,.driver = {.name = "my-device",.of_match_table = my_of_ids,.owner = THIS_MODULE,},
};

一次性注册多个驱动：

static struct platform_driver my_drivers[] = {{ ... }, // 驱动1{ ... }, // 驱动2
};platform_register_drivers(my_drivers, ARRAY_SIZE(my_drivers));

3.3 probe和remove函数

probe函数是驱动的核心，通常包含：

获取设备资源（内存、中断等）
初始化硬件
注册字符设备/网络设备等
申请所需资源（DMA缓冲区等）

示例probe函数：

static int my_probe(struct platform_device *pdev)
{struct resource *res;void __iomem *base;int irq;// 获取内存资源res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);if (IS_ERR(base))return PTR_ERR(base);// 获取中断资源irq = platform_get_irq(pdev, 0);if (irq < 0)return irq;// 获取平台特定数据struct my_platform_data *pdata = dev_get_platdata(&pdev->dev);// 初始化硬件...return 0;
}

remove函数负责释放probe中申请的资源：

static int my_remove(struct platform_device *pdev)
{// 释放资源、注销设备等return 0;
}

4. 设备与驱动的匹配机制

Platform总线提供了多种匹配方式，按优先级排序：

设备树匹配（最常用）：
- 驱动定义of_match_table
- 设备树节点设置compatible属性
- 内核比较compatible与of_match_table
ID表匹配：
- 驱动定义id_table
- 设备设置platform_device_id
- 内核比较两者
名称匹配（传统方式）：
- 驱动driver.name与设备name直接比较

匹配成功后，内核会调用驱动的probe函数。

5. 设备资源管理

5.1 获取设备资源

Platform驱动提供了多种API获取设备资源：

内存资源：

struct resource *res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, index);
void __iomem *base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);

中断资源：

int irq = platform_get_irq(pdev, index);
int irq = platform_get_irq_byname(pdev, "interrupt-name");

平台特定数据：

// 从设备树获取
struct device_node *np = pdev->dev.of_node;
of_property_read_u32(np, "property-name", &value);// 从platform_data获取
struct my_platform_data *pdata = dev_get_platdata(&pdev->dev);

5.2 设备资源管理(Devres)

Linux内核提供了"managed"资源管理接口，可以自动释放资源：

内存映射：

void __iomem *base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);

中断申请：

int devm_request_irq(&pdev->dev, irq, handler, flags, name, dev);

内存分配：

void *buf = devm_kzalloc(&pdev->dev, size, GFP_KERNEL);

使用devm接口可以简化remove函数，因为资源会在设备注销时自动释放。

6. Platform驱动开发实战

6.1 开发流程

确定设备信息：
- 寄存器地址范围
- 中断号
- 时钟/复位线
- 其他特定配置
选择注册方式：
- 设备树（推荐）
- 传统platform_device方式
实现驱动：
- probe/remove函数
- 文件操作接口（字符设备）
- 中断处理
- 电源管理
测试与调试：
- 检查/sys/bus/platform/devices
- 使用devm_*简化资源管理
- 动态调试printk

6.2 完整示例：LED控制器驱动

设备树节点：

led-controller@1000000 {compatible = "vendor,simple-led";reg = <0x1000000 0x100>;interrupts = <0 10 4>;clocks = <&clk 5>;clock-names = "led_clk";status = "okay";
};

驱动实现：

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/interrupt.h>struct led_controller {void __iomem *base;int irq;struct clk *clk;
};static irqreturn_t led_irq(int irq, void *dev_id)
{// 中断处理...return IRQ_HANDLED;
}static int led_probe(struct platform_device *pdev)
{struct led_controller *led;struct resource *res;// 分配驱动私有数据结构led = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*led), GFP_KERNEL);if (!led)return -ENOMEM;// 获取内存资源并映射res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);led->base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);if (IS_ERR(led->base))return PTR_ERR(led->base);// 获取中断led->irq = platform_get_irq(pdev, 0);if (led->irq < 0)return led->irq;// 申请中断if (devm_request_irq(&pdev->dev, led->irq, led_irq, 0, "led-controller", led))return -EIO;// 获取时钟led->clk = devm_clk_get(&pdev->dev, "led_clk");if (IS_ERR(led->clk))return PTR_ERR(led->clk);// 初始化硬件...clk_prepare_enable(led->clk);// 保存私有数据platform_set_drvdata(pdev, led);return 0;
}static int led_remove(struct platform_device *pdev)
{struct led_controller *led = platform_get_drvdata(pdev);// 清理硬件...clk_disable_unprepare(led->clk);return 0;
}static const struct of_device_id led_of_match[] = {{ .compatible = "vendor,simple-led" },{},
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, led_of_match);static struct platform_driver led_driver = {.driver = {.name = "simple-led",.of_match_table = led_of_match,},.probe = led_probe,.remove = led_remove,
};
module_platform_driver(led_driver);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Simple LED controller driver");

7. 高级主题与最佳实践

7.1 多设备支持

一个驱动可以支持多个设备，通过以下方式实现：

使用id_table：

static const struct platform_device_id my_id_table[] = {{ "device-v1", (kernel_ulong_t)&v1_data },{ "device-v2", (kernel_ulong_t)&v2_data },{},
};

设备树兼容列表：

static const struct of_device_id my_of_ids[] = {{ .compatible = "vendor,device-v1", .data = &v1_data },{ .compatible = "vendor,device-v2", .data = &v2_data },{},
};

在probe函数中可以通过of_device_get_match_data()获取设备特定数据。

7.2 电源管理

Platform驱动支持电源管理操作：

static struct platform_driver my_driver = {// ....suspend = my_suspend,.resume = my_resume,.driver = {.pm = &my_pm_ops,},
};

实现完整的电源管理需要考虑：

运行时电源管理（runtime PM）
系统挂起/恢复
时钟/电源域管理

7.3 调试技巧

检查设备是否注册成功：

ls /sys/bus/platform/devices/

查看驱动匹配信息：

dmesg | grep platform

设备树调试：

dtc -I fs /proc/device-tree

动态调试：

#include <linux/dynamic_debug.h>
// 在代码中添加
dev_dbg(&pdev->dev, "Debug message");

然后在用户空间启用调试：

echo 'file driver.c +p' > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control

8. 常见问题与解决方案

8.1 probe函数未被调用

可能原因：

设备与驱动未正确匹配
- 检查compatible属性是否匹配
- 检查设备树节点状态是否为"okay"
设备未正确注册
- 检查/sys/bus/platform/devices
- 确认设备注册代码被执行
驱动注册失败
- 检查dmesg输出
- 确认模块加载成功

8.2 资源获取失败

常见错误：

内存映射失败
- 检查寄存器地址是否正确
- 确认资源索引正确
中断申请失败
- 检查中断号是否正确
- 确认中断未被其他驱动占用
时钟获取失败
- 检查时钟名称是否匹配
- 确认时钟在设备树中定义

8.3 设备树与驱动不匹配

调试方法：

确认设备树编译进内核
检查/proc/device-tree确认节点存在
使用of_find_node_by_path()调试设备树查找

9. 从传统方式迁移到设备树

对于传统platform_device用户，迁移到设备树的步骤：

识别硬件信息：
- 寄存器地址、大小
- 中断号、类型
- 时钟、复位线
- 其他特定配置
创建设备树节点：

my-device@1000000 {compatible = "vendor,my-device";reg = <0x1000000 0x1000>;interrupts = <0 10 4>;clocks = <&clk 5>;clock-names = "core";reset-gpios = <&gpio 10 1>;vendor,special-flag = <1>;
};

修改驱动：
- 添加of_match_table
- 使用of_*API替代硬编码值
- 实现设备树解析逻辑

10. 总结与进阶方向

10.1 Platform驱动模型优势

硬件与驱动分离：提高代码复用性
统一设备管理：通过sysfs提供一致接口
支持动态配置：设备树实现硬件灵活配置
简化驱动开发：提供丰富的资源管理API

10.2 进阶学习方向

深入设备树：
- 设备树绑定文档
- 设备树覆盖(Overlay)机制
- 动态设备树修改
复杂驱动开发：
- DMA缓冲区管理
- 中断嵌套与线程化处理
- 多设备并发控制
电源管理：
- Runtime PM框架
- 系统挂起/恢复流程
- 时钟门控与电源域
用户空间接口：
- sysfs属性文件
- debugfs调试接口
- ioctl控制机制

通过掌握Platform驱动模型，开发者可以构建出稳定、可维护的Linux设备驱动，满足从简单外设到复杂控制器的各种需求。从简单的LED控制到复杂的多媒体处理，Platform驱动模型为嵌入式Linux开发提供了坚实的基础。