深入理解 Linux 设备模型与 sysfs 文件系统全景图解

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Linux 设备模型(Device Model)是内核实现驱动管理的基础框架,不仅支撑驱动开发和设备管理,还提供了与用户空间交互的统一接口。本篇博文将详细而清晰地讲解设备模型的核心概念、结构组成、总线分类,并深入阐述设备模型如何通过 sysfs 文件系统与用户空间交互,帮助你建立清晰的知识框架。


📘 第一部分:Linux 设备模型基础

Linux 设备模型是内核统一管理硬件设备、驱动程序及其匹配关系的基础架构。其核心作用是将设备、驱动程序以及两者的连接抽象出来,形成清晰易维护的体系。

设备模型包含三个核心结构:

结构核心类型作用描述
设备struct device表示系统中的硬件设备
驱动struct device_driver实现对设备的操作与管理
总线struct bus_type连接设备与驱动,提供匹配机制

设备和驱动必须挂载在同一总线类型下,内核才能自动匹配并调用驱动的 probe() 接口。
在这里插入图片描述


📘 第二部分:核心数据结构详解

✅ 结构体 device

表示具体设备实例,包括设备树节点信息、父子关系以及总线类型等元数据:

struct device {
    const char *init_name;           // 设备初始名称
    struct bus_type *bus;            // 所属总线
    struct device_driver *driver;    // 匹配驱动
    struct device *parent;           // 父设备
    struct device_node *of_node;     // 对应设备树节点
    ...
};

✅ 结构体 device_driver

表示驱动程序,定义驱动名称、匹配设备的规则和生命周期管理函数:

struct device_driver {
    const char *name;                         // 驱动名称
    const struct of_device_id *of_match_table; // 匹配设备的兼容性表
    int (*probe)(struct device *dev);         // 驱动初始化回调
    int (*remove)(struct device *dev);        // 驱动移除回调
    struct bus_type *bus;                     // 驱动所依附的总线
    ...
};

✅ 结构体 bus_type

连接设备和驱动程序,提供匹配逻辑,定义总线的匹配规则:

struct bus_type {
    const char *name;                                      // 总线名称
    int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv); // 设备驱动匹配方法
    ...
};

📘 第三部分:Linux 总线类型与分类

🔹 实体总线 vs 虚拟总线

总线类别示例描述
实体总线PCI、USB、I2C、SPI物理存在于硬件电路中,具有枚举机制
虚拟总线platform、serio、amba无物理总线控制器,依赖设备树或手动注册

🔹 常见总线目录

/sys/bus/
├── platform
├── pci
├── usb
├── i2c
├── spi
├── serio
├── scsi

每种总线下均包含两个子目录:

  • devices/:包含挂接的所有设备实例
  • drivers/:包含注册到总线的驱动程序

📘 第四部分:sysfs 文件系统与设备模型映射

Linux 通过 sysfs 文件系统,将内核设备模型的数据结构映射到用户空间,提供便捷的查看与调试接口。

路径描述
/sys/bus/总线类型列表及设备驱动映射关系
/sys/devices/所有设备的拓扑结构,从根设备开始
/sys/class/抽象功能分类,如网络接口、输入设备
/sys/module/当前加载的内核模块及其参数
/sys/kernel/内核的各种状态、调度策略及调试接口
/sys/power/电源管理接口,如 suspend/resume
/sys/fs/包含 sysfs、debugfs 等虚拟文件系统
/sys/firmware/固件信息、设备树信息

📘 第五部分:设备模型分类方式

🔸 按总线类型分类

总线类型应用场景
platformSoC 内部集成外设,如 GPIO、PWM、ADC
i2cEEPROM、传感器、RTC 等低速设备
spiFlash 存储、传感器等高速串行设备
pci网卡、显卡等扩展设备
usb外部可热插拔设备,如摄像头、鼠标、键盘等

🔸 按功能子系统分类

子系统路径设备示例
网络drivers/net/网卡、无线网络模块
图形drivers/gpu/DRM、Framebuffer 等显示设备
音频sound/ALSA 声卡驱动
存储drivers/mmc/, drivers/scsi/SD 卡、U盘、SATA 硬盘等
平台设备drivers/platform/GPIO 控制器、ADC 控制器等

📘 第六部分:总结与应用

Linux 设备模型通过统一抽象的结构和 sysfs 文件系统接口,实现了设备与驱动的清晰划分与管理,提升了内核驱动的模块化程度和开发效率。掌握设备模型的核心知识,有助于更有效地进行驱动开发和内核调试。


📚 延伸阅读与参考资源

  • Linux 内核源码目录:drivers/base/include/linux/device.h
  • 内核文档:Documentation/driver-model/
  • 《Linux Device Drivers》第三版
  • Greg Kroah-Hartman 设备模型讲解视频

下一篇博文我们将继续深入,聚焦设备资源管理机制,探讨如何通过 platform_get_resource()devm_*()of_property_read_*() 等关键 API 实现设备资源的安全高效管理与驱动初始化流程,进一步强化对 Linux 驱动开发的理解。

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