Linux 设备与驱动（Devices & Drivers）

下面是一份 「Linux 内核核心子系统：设备与驱动（Devices & Drivers）」的系统级、内核级完整梳理。

定位是：硬件 -> 内核抽象 -> 驱动模型 -> 总线 -> 设备 -> 驱动 -> 用户态，并与前面已经系统梳理过的 Process / Memory / FS / Networking / NUMA / 容器 / 虚拟化无缝衔接。

一、为什么“设备与驱动”是 Linux 内核的骨架之一

没有驱动，内核只是一段不能和现实世界交互的代码。

设备与驱动子系统解决的是：

内核如何“发现”硬件
内核如何“管理”硬件
驱动如何“绑定”设备
用户态如何“访问”设备

📌 Linux 的核心哲学：统一抽象 + 模块化驱动

二、Linux 设备模型（Device Model）总览

Linux 采用 统一设备模型（Unified Device Model）：

Bus（总线）
 ├── Device（设备）
 │     └── Driver（驱动）
 └── Class（设备类别）

核心对象：

对象	内核结构
总线	struct bus_type
设备	struct device
驱动	struct device_driver
类	struct class

📌 sysfs 正是这个模型的“可视化映射”

三、设备的本质是什么？

设备 = 可被内核管理的硬件实体或虚拟实体

设备类型

类型	示例
物理设备	磁盘、网卡、GPU
虚拟设备	loop、veth、tap
伪设备	null、zero
平台设备	SoC 内部设备

四、总线（Bus）

1️⃣ 常见总线类型

总线	特点
PCI / PCIe	自动枚举
USB	热插拔
I2C / SPI	嵌入式
Platform	非可枚举
Virtio	虚拟化

2️⃣ 总线的职责

枚举设备
匹配驱动
维护设备树

📌 总线是“设备与驱动的媒婆”

3️⃣ 设备与驱动匹配

PCI：Vendor ID / Device ID
USB：VID / PID
Platform：name / DT

五、驱动（Driver）

1️⃣ 驱动的核心职责

初始化硬件
注册设备节点
提供 file_operations
处理中断 / DMA

2️⃣ 字符设备 / 块设备

字符设备（cdev）

字节流
无缓存
例：tty、null

块设备（bdev）

块访问
有缓存
例：磁盘

3️⃣ file_operations

struct file_operations {
  .open
  .read
  .write
  .ioctl
  .mmap
}

📌 用户态访问设备的“接口合同”

六、设备节点（/dev）

/dev 不是设备，是设备的“入口”

由 udev 动态创建
映射 major / minor

crw-rw---- 1 root disk 8, 0 /dev/sda

七、sysfs（/sys）

内核设备模型的“导出视图”

/sys
 ├── bus
 ├── devices
 ├── class
 └── module

用途：

查看设备状态
调整参数
调试驱动

📌 比 /proc 更结构化

八、中断子系统（Interrupt）

1️⃣ 中断类型

类型	特点
硬中断	实时响应
软中断	延迟处理
tasklet	软中断
workqueue	进程上下文

2️⃣ MSI / MSI-X

现代 PCIe 设备
高性能网卡必备

3️⃣ IRQ 亲和性

echo 3 > /proc/irq/XX/smp_affinity

📌 NUMA / 高性能必调

九、DMA（直接内存访问）

设备绕过 CPU 直接读写内存

1️⃣ DMA 关键点

IOMMU
bounce buffer
cache coherency

2️⃣ DMA API

dma_alloc_coherent()
dma_map_single()

📌 错用 DMA = 随机崩溃

十、驱动模块（Modules）

1️⃣ 内核模块

.ko 文件
动态加载

modprobe e1000

2️⃣ 模块生命周期

init -> probe -> remove -> exit

3️⃣ 模块依赖

lsmod
modinfo

十一、udev 与设备管理

用户态设备管理守护进程

职责：

创建设备节点
设置权限
触发脚本

📌 云 / 容器高度依赖 udev

十二、虚拟化与设备

1️⃣ Virtio

半虚拟化设备
高性能

类型	设备
virtio-net	网卡
virtio-blk	磁盘

2️⃣ SR-IOV

硬件虚拟化
VF / PF

📌 数据库 / 高吞吐必选

十三、容器与设备

1️⃣ 容器如何使用设备

namespace
cgroup device controller
bind mount /dev

2️⃣ 安全限制

cgroup devices.allow

十四、驱动性能瓶颈地图

层	常见问题
IRQ	单核瓶颈
DMA	IOMMU
Driver	锁
Bus	带宽
用户态	copy

十五、调试与排障工具

工具	用途
dmesg	驱动日志
lspci / lsusb	设备
udevadm	事件
perf	性能
ftrace	跟踪

十六、设备与驱动一句话总结

Linux 设备与驱动子系统，是一个通过总线模型，将现实世界的硬件，抽象为内核对象，并通过统一接口提供给用户态的系统。

十七、与前面子系统的“联动关系”

子系统	关联
Process	驱动运行在内核
Memory	DMA / MMIO
FS	/dev / sysfs
Networking	NIC 驱动
NUMA	中断 / DMA
容器	虚拟设备