Linux 裝置模型三大支柱：總線、驅動、裝置 — 註冊、匹配與綁定全流程

核心架構：一張圖看懂關係

bus_type (總線)
├── kset drivers   ← 所有屬於此總線的 device_driver (kobject)
└── kset devices   ← 所有掛載在此總線的 device (kobject)

匹配流程：
裝置插入/驅動註冊 → bus->match(dev, drv) → 成功 → dev->driver = drv; drv->devices 加入 dev

bus_type — 總線類型核心結構

struct bus_type {
    const char *name;                 // "usb", "pci", "i2c", "platform"...
    struct subsystem subsys;          // 內嵌 subsystem (kset)
    struct kset drivers;              // 驅動集合
    struct kset devices;              // 裝置集合
    // 屬性檔支援
    struct bus_attribute *bus_attrs;
    struct device_attribute *dev_attrs;
    struct driver_attribute *drv_attrs;
    // 核心匹配回調
    int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
    // 熱插拔、電源管理
    int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
    int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
    int (*resume)(struct device *dev);
};

device_driver — 驅動物件

struct device_driver {
    const char *name;
    struct bus_type *bus;             // 所屬總線 (註冊時綁定)
    struct module *owner;
    const char *mod_name;             // 模組名稱 (用於請求模組)
    // 驅動核心操作
    int (*probe)(struct device *dev);     // 匹配成功後初始化裝置
    int (*remove)(struct device *dev);    // 裝置移除/驅動卸載
    void (*shutdown)(struct device *dev); // 系統關機
    int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
    int (*resume)(struct device *dev);
    // 屬性
    const struct attribute_group **groups;
    const struct dev_pm_ops *pm;
    struct driver_private *p;         // 內部私有資料
};

device — 裝置物件

struct device {
    struct kobject kobj;              // 基礎物件
    struct device *parent;            // 父裝置 (拓撲樹)
    struct bus_type *bus;             // 所屬總線
    struct device_driver *driver;     // 綁定的驅動 (匹配成功後設定)
    void *platform_data;              // 平台資料 (舊式)
    struct dev_pm_info power;         // 電源管理資訊
    struct device_private *p;         // 內部私有
    // ... 釋放回調、DMA mask、groups 等
};

註冊與匹配完整時序

場景 A：驅動先註冊，裝置後發現 (熱插拔)

1. driver_register(&drv) → bus_add_driver() → 掛入 bus->drivers kset。
2. 裝置插入 → 總線掃描 (如 USB hub event) → device_register(&dev) → bus_add_device() → 掛入 bus->devices kset。
3. bus_probe_device(dev) 遍歷 bus->drivers 列表：

int bus_probe_device(struct device *dev) {
    struct device_driver *drv;
    list_for_each_entry(drv, &bus->drivers.kobj.kset.list, ...) {
        if (bus->match(dev, drv)) {           // 關鍵匹配
            device_bind_driver(dev, drv);     // 綁定
            return 0;
        }
    }
    return -ENODEV;  // 無驅動匹配，裝置仍在 devices 列表等待
}

場景 B：裝置先存在，驅動後載入 (modprobe)

1. 裝置已在 bus->devices，dev->driver == NULL 等待。
2. driver_register(&drv) → bus_add_driver() → driver_attach(drv) 遍歷 bus->devices：

int driver_attach(struct device_driver *drv) {
    return bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);
}

static int __driver_attach(struct device *dev, void *data) {
    struct device_driver *drv = data;
    if (!dev->driver && drv->bus->match(dev, drv)) {
        return device_bind_driver(dev, drv);  // 綁定
    }
    return 0;  // 繼續遍歷
}

綁定核心：device_bind_driver

int device_bind_driver(struct device *dev, struct device_driver *drv) {
    dev->driver = drv;                    // 雙向綁定
    // 1. sysfs 建立 symlink: /sys/bus/xxx/devices/YYY/driver → ../../../drivers/ZZZ
    // 2. 驅動私有列表加入裝置
    // 3. 呼叫 drv->probe(dev) → 真正初始化硬體、申請資源、註冊 cdev 等
    // 4. 發送 uevent (add) 通知 udev 建立裝置節點
    // 5. 處理 dev_groups 屬性
}

match 回調：各總線如何判斷「屬於我」

驅動通常定義 struct xxx_device_id 陣列，透過 MODULE_DEVICE_TABLE 匯出，供 modprobe 自動載入。

遍歷輔助函數

// 遍歷總線上所有裝置
int bus_for_each_dev(struct bus_type *bus, struct device *start, void *data, int (*fn)(struct device*, void*));
// 遍歷總線上所有驅動
int bus_for_each_drv(struct bus_type *bus, struct device_driver *start, void *data, int (*fn)(struct device_driver*, void*));

sysfs 視圖對應

/sys/bus/usb/
├── devices/           ← bus->devices kset
│   ├── 1-1/           ← device kobject
│   │   ├── driver → ../../../drivers/usb/usb-storage  (綁定後建立)
│   │   └── ...
│   └── 1-2/
└── drivers/           ← bus->drivers kset
    ├── usb-storage/   ← device_driver kobject
    │   ├── module → ../../../../module/usb_storage
    │   ├── new_id     (動態新增 ID)
    │   ├── remove_id
    │   └── bind/unbind (手動綁定/解綁介面)
    └── usbhid/

手動綁定/解綁 (除錯利器)

# 解綁
echo "1-1" > /sys/bus/usb/drivers/usb-storage/unbind
# 綁定 (需驅動支援該裝置 ID)
echo "1-1" > /sys/bus/usb/drivers/usb-storage/bind
# 動態新增 ID (驅動支援 new_id)
echo "1234 5678" > /sys/bus/usb/drivers/usb-storage/new_id

總結

Linux 裝置模型以 bus_type 為中樞，雙向列表管理 drivers 與 devices，match() 為核心匹配邏輯，probe() 為實際初始化入口。理解此流程，能解決：驅動不自動綁定、多驅動搶佔裝置、手動測試驅動、熱插拔異常等高頻問題。