linux内核学习笔记之设备与模块

模块

linux设备类型分为字符设备（cdev）、块设备（blkdev）、网络设备（netdev）。

字符设备是不可寻址的，仅提供对数据的流式访问，如键盘、鼠标等。通过称为“块设备节点”的特殊文件来进行访问，该设备通常被挂载为文件系统。

块设备是可寻址，支持对数据的随机访问，如硬盘、光碟等。可以直接通过文件接口访问设备节点来进行交互。

网络设备提供了对网络的访问，通过特定的协议（如IP），来进行通信。但该设备打破了“一切皆文件”的原则，通过套接字API来进行访问。

此外，其实还有一些伪设备，仅提供对内核功能的访问，设备驱动是虚拟的，如空设备/dev/null、内核随机数发生器/dev/random和/dev/urandom、零设备/dev/zeor等。

众所周知，linux内核是模块化组成的，它允许内存在运行时动态的向其中插入或删除代码。这些代码通过特定的格式组合在一个二进制中，称为模块，也就是我们常说的驱动模块。这是热插拔设备的基础，也给调试内核代码提供了便利。

先看一下最简单的模块代码：

#include <linux/module.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/kernel.h>

static int hello_init(void)

{

    printk("hello module init\n");

    return 0;

}

static void hello_exit(void)

{

    printk("hello module exit\n");

}

module_init(hello_init);

module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

驱动的加载和卸载流程

[root@bogon drv_module]$ insmod hello.ko

[root@bogon drv_module]$ dmesg

hello module init

[root@bogon drv_module]$ rmmod hello

[root@bogon drv_module]$ dmesg

hello module init

hello module exit

[root@bogon drv_module]$

源码中 hello_init()和hello_exit()分别为驱动加载和卸载调用的钩子函数。

使用module_param(name,type,perm)给模块增加参数，如:

static int num;

module_param(num,int,0664);

加载驱动：insmod hello.ko num=10

name是变量量，也是参数名。

type是变量类型，可以是byte、short、ushort、int、uint、long、ulong、charp、bool，分别是字节型、短整型、无符号短整型、整型、无符号整型、长整型、无符号长整型、字符指针、布尔型。

perm指定了模块在sys文件系统下对应文件的权限。

类似的接口还有：

module_param_named(name, varible, type, perm)       //name为外部可见的参数名称，varible为内部参数变量名

该宏用于外部参数名与内部变量名不一致的场景，如：

static int val;

module_param_named(num,val,int,0664)

加载命令：insmod hello.ko num=10

module_param_string(name, string, len, perm)        //name为外部参数名称，string为内部数组名，len为数组长度

该宏用于将字符串参数拷贝到数组的场景，如：

char str[10];

module_param_string(name,str,10,0664);

加载命令：insmod hello.ko name="hello"

module_param_array(name, type, nump, perm)        //name为外部参数名称及内部变量名，type为数据类型，nump是整型指针，用于存放数组项数

该宏用于参数是以逗号分开的列表，如：

static int arr[10];

static int len;

module_param_array(arr,int,&len,0664);

加载命令：insmod hello.ko arr=1,2,3,4

模块被加载后，只有被显式导出的外部函数才能被动态库调用。导出内核函数使用：EXPORT_SYMBOL()、EXPORT_SYMBOL_GPL()

void show(char *p)

{

    printk(KERN_ERR "%s\n",p);

}

EXPORT_SYMBOL(show);

设备模型

2.6内核引入了一个新特性叫统一设备模型（device model），以树的形式构建了设备的拓朴结构，这便是sys文件系统。该设备树的核心三个结构体分别为：kobject、kobj_type、kset。

struct kobject {

    const char        *name;                //对象名称，对应sys文件系统中一个目录

    struct list_head    entry;               //kobject链表

    struct kobject        *parent;         //父结点指针

    struct kset        *kset;                 //属于哪一个kset集合

    struct kobj_type    *ktype;           //kobject的特性

    struct sysfs_dirent    *sd;             //指向sysfs_dirent结构体，在sys中表示该kobject

    struct kref        kref;                   //引用计数

    unsigned int state_initialized:1;     

    unsigned int state_in_sysfs:1;

    unsigned int state_add_uevent_sent:1;

    unsigned int state_remove_uevent_sent:1;

    unsigned int uevent_suppress:1;

};

struct kobj_type {

    void (*release)(struct kobject *kobj);        //引用计数为0时的析构函数

    const struct sysfs_ops *sysfs_ops;            //包含sys文件的读写操作

    struct attribute **default_attrs;                 //kobject的默认属性，每一个属性对应sys中的一个文件，属性名即文件名，属性值即文件内容

    const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);       

    const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);

};

struct kset {

    struct list_head list;            //链表链接了所包含的kobject

    spinlock_t list_lock;            

    struct kobject kobj;           //表示该集合的基类

    const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;    //用于处理集合中kobject对象的热插拔操作。

}

kobject类似于面向对象中的类，用于组织层次结构，实际对应sys文件系统中的一个目录或文件。提供了引用计数kref、父子关系和对象名称等。

kobj_type表示kobject所具有的普遍特性。

kset为kobject的集合。

一个OS自带的示例：

/*

* Sample kobject implementation

*

* Copyright (C) 2004-2007 Greg Kroah-Hartman < greg@kroah.com >

* Copyright (C) 2007 Novell Inc.

*

* Released under the GPL version 2 only.

*

*/

#include <linux/kobject.h>

#include <linux/string.h>

#include <linux/sysfs.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/init.h>

/*

* This module shows how to create a simple subdirectory in sysfs called

* /sys/kernel/kobject-example  In that directory, 3 files are created:

* "foo", "baz", and "bar".  If an integer is written to these files, it can be

* later read out of it.

*/

static int foo;

static int baz;

static int bar;

/*

* The "foo" file where a static variable is read from and written to.

*/

static ssize_t foo_show(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr,

            char *buf)

{

    return sprintf(buf, "%d\n", foo);

}

static ssize_t foo_store(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr,

             const char *buf, size_t count)

{

    sscanf(buf, "%du", &foo);

    return count;

}

static struct kobj_attribute foo_attribute =

    __ATTR(foo, 0666, foo_show, foo_store);

/*

* More complex function where we determine which variable is being accessed by

* looking at the attribute for the "baz" and "bar" files.

*/

static ssize_t b_show(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr,

              char *buf)

{

    int var;

    if (strcmp(attr->attr.name, "baz") == 0)

        var = baz;

    else

        var = bar;

    return sprintf(buf, "%d\n", var);        //将变量写入buf中，即会在cat文件内容时打印出来

}

static ssize_t b_store(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr,

               const char *buf, size_t count)

{

    int var;

    sscanf(buf, "%du", &var);                //将变量从buf中读出来，即表示读取用户输入的值

    if (strcmp(attr->attr.name, "baz") == 0)

        baz = var;

    else

        bar = var;

    return count;

}

static struct kobj_attribute baz_attribute =

    __ATTR(baz, 0666, b_show, b_store);

static struct kobj_attribute bar_attribute =

    __ATTR(bar, 0666, b_show, b_store);

/*

* Create a group of attributes so that we can create and destroy them all

* at once.

*/

static struct attribute *attrs[] = {

    &foo_attribute.attr,

    &baz_attribute.attr,

    &bar_attribute.attr,

    NULL,    /* need to NULL terminate the list of attributes */

};

/*

* An unnamed attribute group will put all of the attributes directly in

* the kobject directory.  If we specify a name, a subdirectory will be

* created for the attributes with the directory being the name of the

* attribute group.

*/

static struct attribute_group attr_group = {

    .attrs = attrs,

};

static struct kobject *example_kobj;

static int __init example_init(void)

{

    int retval;

    /*

     * Create a simple kobject with the name of "kobject_example",

     * located under /sys/kernel/

     *

     * As this is a simple directory, no uevent will be sent to

     * userspace.  That is why this function should not be used for

     * any type of dynamic kobjects, where the name and number are

     * not known ahead of time.

     */

    example_kobj = kobject_create_and_add("kobject_example", kernel_kobj);

    if (!example_kobj)

        return -ENOMEM;

    /* Create the files associated with this kobject */

    retval = sysfs_create_group(example_kobj, &attr_group);

    if (retval)

        kobject_put(example_kobj);

    return retval;

}

static void __exit example_exit(void)

{

    kobject_put(example_kobj);

}

module_init(example_init);

module_exit(example_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("Greg Kroah-Hartman < greg@kroah.com >");

加载驱动后：在/sys/kenel目录下生成 kobject_example目录

[root@bogon kernel]$ find /sys/kernel/kobject_example/

/sys/kernel/kobject_example/

/sys/kernel/kobject_example/foo

/sys/kernel/kobject_example/baz

/sys/kernel/kobject_example/bar

总结以上代码，创建sys文件如下：

1、初始化ktype

    初始化各属性值，定义属性名，实现其文件操作接口

2、初始化kobject

    该步骤会将kobject的引用计数置1，所以释放的时候只需调用kobject_put()将kobject清0就可以了

3、将kobject导入sysfs

以上步骤涉及的接口有：

kobject_init()                        初始化kobject

kobject_create()                   创建kobject

kobject_add()                       把kobject导入到sysfs  

kobject_create_and_add()     相当于前面两个函数一起执行

kobject_get()                        获取kobject的引用计数

kobject_put()                        减少kobject的引用计数

kobject_del()                        从sysfs删除一个kobject目录

sysfs_create_file()                 创建新属性

sysfs_create_link()                创建符号链接

sysfs_create_group()            同时创建多个属性

sysfs_remove_file()               删除新属性

sysfs_remove_link()              删除符号链接