Linux 平台设备驱动框架详解

Linux 平台设备（Platform Device）驱动框架是内核中用于管理嵌入式系统或 SoC（System on Chip）中非可发现设备的机制。这些设备不像 PCI 或 USB 设备那样可以通过总线自动枚举，而是通过静态配置（如设备树 Device Tree 或平台数据）来描述，例如内置的 UART、GPIO、I2C 控制器、LED 等。平台设备框架基于设备模型（Device Model），通过"平台总线"（platform bus）模拟一个虚拟总线来统一管理这些设备。该框架简化了驱动开发，适用于 ARM、x86 等架构的嵌入式系统。本文基于 Linux 内核 4.x 及以上版本（兼容 6.x），从框架概述、关键数据结构、注册流程、probe/remove 实现、示例代码以及注意事项等方面进行详解。

1. 框架概述

在 Linux 内核中，设备分为可发现（discoverable，如 PCI）和非可发现（non-discoverable，如 SoC 内置外设）。平台设备框架针对后者，提供了一个虚拟的"平台总线"来处理这些设备：

• 平台总线：一个伪总线（bus_type 为 platform_bus_type），用于挂载平台设备和驱动。
• 设备描述：早期使用平台数据（platform_data）结构体静态定义资源（如 IRQ、内存地址）；现代内核推荐使用设备树（Device Tree，.dts 文件）通过 compatible 属性匹配设备和驱动。
• 匹配机制：驱动和设备通过名称（name）或 compatible 字符串匹配。
• 生命周期：设备注册后，内核调用驱动的 probe 函数初始化硬件；卸载时调用 remove。
• 优势：统一设备模型，支持电源管理（PM）、sysfs 接口；缺点：依赖静态配置，不如热插拔总线灵活。
• 适用场景：嵌入式板卡如 Raspberry Pi、BeagleBone 中的 GPIO、SPI 等控制器。

平台设备与普通字符设备驱动的区别：平台设备更注重硬件资源管理（如获取 IO 地址、IRQ），而字符设备焦点在文件操作接口。平台驱动常结合字符/杂项设备提供用户空间访问。

2. 关键数据结构

平台设备框架依赖几个核心结构体，定义在 <linux/platform_device.h> 和 <linux/device.h> 中。

• struct platform_device ：描述平台设备。

  struct platform_device {
      const char *name;  // 设备名，用于匹配
      int id;  // 实例 ID（如 uart0 中的 0），-1 表示自动
      struct device dev;  // 嵌入的通用设备结构体
      u32 num_resources;  // 资源数量
      struct resource *resource;  // 资源数组（内存、IRQ 等）
      const struct platform_device_id *id_entry;  // ID 表匹配
      const struct of_device_id *driver_override;  // 设备树覆盖
      // 其他字段如 driver_data（私有数据）
  };

  资源通过 struct resource 定义，包括类型（RESOURCE_IO、RESOURCE_MEM、RESOURCE_IRQ）。

• struct platform_driver ：描述平台驱动。

  struct platform_driver {
      int (*probe)(struct platform_device *);  // 初始化回调
      int (*remove)(struct platform_device *);  // 移除回调
      void (*shutdown)(struct platform_device *);  // 关机回调（可选）
      int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t);  // 电源管理（可选）
      int (*resume)(struct platform_device *);  // 恢复回调（可选）
      struct device_driver driver;  // 通用驱动结构体
      const struct platform_device_id *id_table;  // ID 匹配表
      const struct of_device_id *of_match_table;  // 设备树 compatible 匹配表
  };

• struct resource ：设备资源描述。

  struct resource {
      resource_size_t start;  // 起始地址
      resource_size_t end;  // 结束地址
      const char *name;  // 资源名
      unsigned long flags;  // 类型标志（如 IORESOURCE_MEM）
      struct resource *parent, *sibling, *child;  // 树状结构
  };

• 匹配表：platform_device_id 用于名称匹配；of_device_id 用于设备树。

3. 注册流程

平台设备的注册分为设备注册和驱动注册。设备通常在板级初始化代码或设备树中定义，驱动作为模块加载。

1. 设备注册 （platform_device_register）：
   • 静态方式：在板级文件（arch/arm/mach-xxx/board.c）中定义并注册。
   • 动态方式：使用设备树，内核解析 .dtb 文件自动创建 platform_device。
   • 示例：struct platform_device my_pdev = { .name = "mydevice", .id = -1, .resource = my_resources, .num_resources = ARRAY_SIZE(my_resources) }; platform_device_register(&my_pdev);
2. 驱动注册 （platform_driver_register）：
   • 初始化 struct platform_driver。
   • 调用 platform_driver_register(&my_driver)。
   • 内核匹配后调用 probe。
3. 卸载：platform_driver_unregister 和 platform_device_unregister。

对于设备树：

• 在 .dts 中定义节点：mydevice@0 { compatible = "vendor,mydevice"; reg = <0x12340000 0x1000>; interrupts = <10>; };
• 驱动的 of_match_table = { .compatible = "vendor,mydevice" };

4. probe/remove 实现

probe 是驱动的核心，负责硬件初始化；remove 负责清理。

• probe 示例 ：

  static int my_probe(struct platform_device *pdev) {
      struct resource *res;
      void __iomem *base;
      int irq;
  
      // 获取资源
      res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
      if (!res) return -ENODEV;
      base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
      if (IS_ERR(base)) return PTR_ERR(base);
  
      irq = platform_get_irq(pdev, 0);
      if (irq < 0) return irq;
  
      // 请求 IRQ
      request_irq(irq, my_handler, 0, "mydevice", pdev);
  
      // 注册字符设备或其他接口
      // ...
  
      dev_info(&pdev->dev, "Device probed\n");
      return 0;
  }

• remove 示例 ：

  static int my_remove(struct platform_device *pdev) {
      // 释放 IRQ、iounmap 等
      free_irq(platform_get_irq(pdev, 0), pdev);
      // 注销接口
      dev_info(&pdev->dev, "Device removed\n");
      return 0;
  }

  使用 devm_ 函数（device managed）简化资源管理，自动在 remove 时释放。

平台驱动常结合 file_operations 提供用户空间接口（如通过 misc_register）。

5. 示例代码：简单平台 LED 驱动

假设控制一个 LED，通过设备树描述。完整驱动代码如下（需包含头文件如 <linux/module.h>、<linux/platform_device.h>、<linux/of.h>、<linux/gpio/consumer.h> 等）：

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/of.h>

struct my_led_data {
    struct gpio_desc *gpio;
};

static int my_led_probe(struct platform_device *pdev) {
    struct my_led_data *data;
    data = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL);
    if (!data) return -ENOMEM;

    data->gpio = devm_gpiod_get(&pdev->dev, "led", GPIOD_OUT_LOW);
    if (IS_ERR(data->gpio)) return PTR_ERR(data->gpio);

    platform_set_drvdata(pdev, data);
    dev_info(&pdev->dev, "LED probed\n");
    return 0;
}

static int my_led_remove(struct platform_device *pdev) {
    dev_info(&pdev->dev, "LED removed\n");
    return 0;
}

static const struct of_device_id my_led_of_match[] = {
    { .compatible = "example,my-led" },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_led_of_match);

static struct platform_driver my_led_driver = {
    .probe = my_led_probe,
    .remove = my_led_remove,
    .driver = {
        .name = "my-led",
        .of_match_table = my_led_of_match,
    },
};

module_platform_driver(my_led_driver);
MODULE_LICENSE("GPL");

设备树节点示例（.dts）：

my-led {
    compatible = "example,my-led";
    led-gpios = <&gpio1 10 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};

编译成 .ko，加载：insmod my_led.ko。测试：通过 sysfs 或自定义接口控制 LED。

6. 注意事项和高级主题

• 资源获取：使用 platform_get_resource、platform_get_irq、devm_ioremap 等函数，避免硬编码地址。
• 电源管理：实现 suspend/resume 支持 PM。
• 错误处理：probe 返回负值表示失败，常用 -ENODEV、-ENOMEM。
• 调试：查看 /sys/bus/platform/devices/ 和 dmesg。使用 of_ 函数解析设备树属性。
• 与其它框架集成：平台驱动常作为后端，与 regmap、pinctrl 等结合。
• 版本差异：内核 5.x+ 强调设备树，弃用平台数据；推荐使用 module_platform_driver 宏简化注册。
• 比较：与字符驱动不同，平台聚焦硬件绑定；与杂项设备相比，平台支持总线模型和资源管理。