Linux设备驱动工程师之路——设备模型（上）底层模型

Linux设备驱动工程师之路——设备模型（上）底层模型

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一、重要知识点

1.Sysfs文件系统

Sysfs文件系统是一种类似于proc文件系统的特殊文件系统，它存在于内存当中，当系统启动时由内核挂载于内存当中。用于将系统中的设备组织成层次结构，并向用户模式程序提供详细的数据结构信息。

2.Linux设备底层模型

1）为什么要使用设备模型

随着系统的拓扑结构越来越复杂，以及要支持诸如电源管理等新特性的要求，于是在2.6的内核中出现了设备模型。设备模型其实就是一套数据结构建立起来的模型。内核使用该模型支持了多种不同的任务，包括：

a.电源管理和系统关机

设备模型使操作系统能够以正确的顺序遍历系统硬件。

b.与用户空间通信

Sysfs文件系统向用户空间提供系统信息以及改变操作参数的结构。

c.热插拔事件

d.设备类型

系统中许多部分对设备如何连接不感兴趣，但是他们需要知道哪些类型设备时可用的。设备模型提供了将设备分类的机制。

e.对象的生命周期

上述的许多功能，包括热插拔支持和sysfs，使得内核中管理对象的工作更为复杂。设备模型需要创造一套机制管理对象的生命周期。

2）Kobject

如果说设备模型是一套房子的话,Kobject就是构造房子的砖块。每个注册的Kobject的都对应与Sysfs文件系统中的一个目录。Kobject是组成设备模型的基本结构。类似于C++的基类，它潜入于更大的对象中——所谓的容器，用来描述设备模型的组件。如bus,device,drivers都是典型的容器。这些容器就是通过kobject连接起来，形成一个树状结构。这个树状结构就与/sys文件系统对应。不过kobject只能建立单层结构，也就是只能建立一级目录，要建立多级目录，还要使用后面要介绍的Kset。

Kobject结构定义为：

struct kobject {

char * k name; 指向设备名称的指针

char name[KOBJ NAME LEN]; 设备名称

struct kref kref; 对象引用计数

struct list head entry; 挂接到所在kset中去的单元

struct kobject * parent; 指向父对象的指针

struct kset * kset; 所属kset的指针

struct kobj type * ktype; 指向其对象类型描述符的指针

struct dentry * dentry; sysfs文件系统中与该对象对应的文件节点路径指针

};

相关操作函数：

void kobjet_init(struct kobject*kobj)

初始化Kobject

int kobject_add(struct kobject*kobj)

将Kobject对象注册到linux系统，如果失败则返回一个错误码.

int kobject_init_and_add(structkobject *kobj, kobj_type *ktype, struct kobject *parent, const *fmt…)

初始化并注册kobject，kobject传入要初始化的Kobject对象，ktype将在后面介绍到，parent指向上级的kobject对象，如果指定位NULL，将在/sys的顶层创建一个目录。*fmt为kobject对象的名字。

kobject的ktype对象是一个指向kobject_type结构的指针，该结构记录了kobject对象的一些属性。每个kobject都需要对应一个相应的kobject结构。

struct kobj_type{

void(*release)(struct kobject *kobj);

structsysfs_ops *sysfs_ops;

structattribute **default_attrs;

};

release方法用于释放kobject占用的资源，当kobject引用计数为0时被调用。

kobje_type的attribute成员：

struct attribute{

char*name;//属性文件名

structmodule *owner;

mode_tmode;

}

struct attribute(属性)：对应于kobject的目录下一个文件,name就是文件名。

kobje_type的struct sysfs_ops成员：

struct sysfs_ops

{

ssize_t (*show)(structkobejct *, struct attribute *, char *name);

ssize_t (*store)(structkobejct *, struct attribute *, char *name);

}

show:当用户读属性文件时，该函数被调用，该函数将属性值存入buffer中返回给用户态；

store:当用户写属性文件时，该函数被调用，用于存储用户存入的属性值。

Kobject测试模块：

#include <linux/device.h> #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/init.h> #include <linux/string.h> #include <linux/sysfs.h> #include <linux/stat.h> MODULE_AUTHOR("David Xie"); MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); void obj_test_release(struct kobject *kobject); ssize_t kobj_test_show(struct kobject *kobject, struct attribute *attr,char *buf); ssize_t kobj_test_store(struct kobject *kobject,struct attribute *attr,const char *buf, size_t count); struct attribute test_attr = { .name = "kobj_config", .mode = S_IRWXUGO, }; static struct attribute *def_attrs[] = { &test_attr, NULL, }; struct sysfs_ops obj_test_sysops = { .show = kobj_test_show, .store = kobj_test_store, }; struct kobj_type ktype = { .release = obj_test_release, .sysfs_ops=&obj_test_sysops, .default_attrs=def_attrs, }; void obj_test_release(struct kobject *kobject) { printk("eric_test: release .\n"); } ssize_t kobj_test_show(struct kobject *kobject, struct attribute *attr,char *buf) { printk("have show.\n"); printk("attrname:%s.\n", attr->name); sprintf(buf,"%s\n",attr->name); return strlen(attr->name)+2; } ssize_t kobj_test_store(struct kobject *kobject,struct attribute *attr,const char *buf, size_t count) { printk("havestore\n"); printk("write: %s\n",buf); return count; } struct kobject kobj; static int kobj_test_init() { printk("kboject test init.\n"); kobject_init_and_add(&kobj,&ktype,NULL,"kobject_test"); return 0; } static int kobj_test_exit() { printk("kobject test exit.\n"); kobject_del(&kobj); return 0; } module_init(kobj_test_init); module_exit(kobj_test_exit);

测试结果:

在/sys目录下创建了kobject_test目录

在kobject_test目录下有kobj_config文件

读kobject_config文件则调用了show函数。并在用户空间显示了show返回的kobject对象名字。

写kobject_config文件调用了store函数。

3）Kset

kset的主要功能是包容；我们可以认为他他是kobject的顶层容器。实际上，在每个kset对象的内部，包含了自己的kobject，并且可以用多种处理kobject的方法处理kset。如果说kobject是基类的话，那么kset就是派送类。kobject通过kset组织成层次化的结构，kset是相同类型的组合。通俗的讲，kobject建立一级的子目录，kset可以为kobject建立多级的层次性的父目录。

struct kset {

struct subsystem * subsys; 所在的subsystem的指针

struct kobj type * ktype; 指向该kset对象类型描述符的指针

struct list head list; 用于连接该kset中所有kobject的链表头

struct kobject kobj; 嵌入的kobject

struct kset_uevent_ops * uevent_ops; 指向热插拔操作表的指针

};

包含在kset中的所有kobject被组织成一个双向循环链表，list域正是该链表的头。Ktype域指向一个kobj type结构，被该kset中的所有kobject共享，表示这些对象的类型。Kset数据结构还内嵌了一个kobject对象（由kobj域表示），所有属于这个kset 的kobject对象的parent域均指向这个内嵌的对象。此外，kset还依赖于kobj维护引用计数：kset的引用计数实际上就是内嵌的kobject对象的引用计数。

kset与kobject的关系图

Kset操作：

int kset_register(struct kset*kset)

注册kset

void kset_unregister(struct kset*kset)

注销kset

热插拔事件：在linux系统中，当系统配置发生变化时，如添加kset到系统或移动kobject，一个通知会从内核空间发送到用户空间，这就是热插拔事件。热插拔事件会导致用户空间中的处理程序（如udev,mdev）被调用，这些处理程序会通过加载驱动程序，创建设备节点等来响应热插拔事件。

对热插拔事件的实际控制是由struct kset_uevent_ops结构中的函数完成的。

struct kset_uevnt_ops{

int (*filter)(struct kset *kset,struct kobject *kobj);

const char *(*name)(struct kset *kset, structkobject *kobj );

int (*uevent)(struct kset *kset,struct kobject *kobj，struct kobj_uevent *env);

}

filter决定是否产生事件，如果返回0，将不产生事件。

name向用户空间传递一个合适的字符串

uevent通过环境变量传递任何热插拔脚本需要的信息，他会在(udev或mdev)调用之前，提供添加环境变量的机会。

kset测试模块：

#include <linux/device.h> #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/init.h> #include <linux/string.h> #include <linux/sysfs.h> #include <linux/stat.h> #include <linux/kobject.h> MODULE_AUTHOR("David Xie"); MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); struct kset kset_p; struct kset kset_c; int kset_filter(struct kset *kset, struct kobject *kobj) { printk("Filter: kobj %s.\n",kobj->name); return 1; } const char *kset_name(struct kset *kset, struct kobject *kobj) { static char buf[20]; printk("Name: kobj %s.\n",kobj->name); sprintf(buf,"%s","kset_name"); return buf; } int kset_uevent(struct kset *kset, struct kobject *kobj,struct kobj_uevent_env *env) { int i = 0; printk("uevent: kobj %s.\n",kobj->name); while( i < env->envp_idx){ printk("%s.\n",env->envp[i]); i++; } return 0; } struct kset_uevent_ops uevent_ops = { .filter = kset_filter, .name = kset_name, .uevent = kset_uevent, }; int kset_test_init() { printk("kset test init.\n"); kobject_set_name(&kset_p.kobj,"kset_p"); kset_p.uevent_ops = &uevent_ops; kset_register(&kset_p); kobject_set_name(&kset_c.kobj,"kset_c"); kset_c.kobj.kset = &kset_p; kset_register(&kset_c); return 0; } int kset_test_exit() { printk("kset test exit.\n"); kset_unregister(&kset_p); kset_unregister(&kset_c); return 0; } module_init(kset_test_init); module_exit(kset_test_exit);
测试结果：

可以看出当kset加载时，在/sys下创建了一个kset_p，在kset_p下面创建了kset_c，当kset模块被加载和卸载时都产生了热插拔事件。

参考书籍：

《linux那些事儿之我是sysfs》

《linux设备驱动程序（第三版）》

《国嵌课件》

PS:

请关注下一篇《Linux设备驱动工程师之路——设备模型（下）上层模型》

写这玩意儿把我累坏了，呵呵。