Linux hwmon子系统分析1

最新推荐文章于 2024-12-19 11:41:51 发布

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分类专栏： Linux内核子系统文章标签： linux 运维服务器

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Linux hwmon子系统分析1（基于Linux6.6）---系统框架介绍

一、Linux `hwmon` 子系统概述

hwmon（硬件监控）是 Linux 内核中的一个子系统，用于提供对硬件设备（如温度传感器、电压监测、风扇速度等）的监控支持。该子系统允许用户通过标准的接口读取和控制硬件的状态，尤其是在温度、电压、风扇转速等方面。hwmon 子系统提供了一个统一的方式来访问这些硬件监测信息，常用于系统健康监测、节能、超频等场景。

主要功能

温度监控：监测 CPU、GPU、内存和其他组件的温度。
电压监控：监控系统中不同部件的电压。
风扇监控：读取风扇的转速信息。
功率消耗：监测系统或组件的功率使用情况。
其他传感器数据：如电池状态、负载等。

工作原理

hwmon 子系统通过内核驱动暴露硬件监控设备的信息。这些硬件设备通常是传感器或监控芯片，它们通过总线（如 I2C、SMBus、SPI 等）与主板或其他硬件连接。

硬件监控设备的结构

每个硬件监控设备都有一组属性，这些属性通常包括以下几类：

温度传感器：温度的读数，单位通常为摄氏度（°C）。
电压传感器：系统或组件的电压读数，单位通常为伏特（V）。
风扇传感器：风扇的转速，单位通常为转每分钟（RPM）。
功率传感器：组件的功率使用情况，单位通常为瓦特（W）。

这些传感器通过 hwmon 接口对外暴露数据，通常以 sysfs 接口的形式供用户空间程序访问。

配置和启用 hwmon

hwmon 的驱动程序通常会自动加载，但有时你需要手动启用它，或者加载某些特定硬件的驱动模块。加载某个硬件监控驱动后，相关设备的信息会被暴露到 /sys/class/hwmon/ 目录下。

常见的硬件监控驱动

Intel CPU 温度：coretemp 驱动用于 Intel 处理器。
AMD CPU 温度：k10temp 驱动用于 AMD 处理器。
NVIDIA GPU 温度：通过 nvidia-smi 工具或专用驱动获取。
主板传感器：例如通过 lm_sensors 获取传感器信息。

在大多数 Linux 发行版中，lm_sensors 软件包被用于检测并配置硬件传感器。通过 sensors 命令，用户可以查看从硬件传感器读取到的各种数据。

二、sysfs相关简要说明

在之前的文章中，已经介绍了sysfs相关的框架，此处主要说明sysfs文件系统下文件访问的框架，如下图所示：

应用程序通过系统调用接口调用vfs接口，而vfs则调用sysfs文件系统注册的文件操作接口，如下图所示，主要为sysfs_open_file、sysfs_read_file、sysfs_write_file、sysfs_poll、generic_file_llseek、sysfs_release接口。
针对调用device_register接口注册的struct device类型的变量，其struct kobj_type类型变量为device_ktype，其操作接口指针为dev_sysfs_ops，主要用于读取和写入操作（dev_attr_show对应为读取、dev_attr_store为写操作），而在dev_attr_show、dev_attr_store中，则会通过文件的属性变量，获取到具体的store和show接口。而关于sysfs相关的数据结构间的关联，可参考我之前写的sysfs专栏和设备驱动模型专栏相关的文档。
另外sysfs是支持poll接口的，即sysfs_poll接口。若属性文件需要支持poll接口，则调用函数sysfs_notify即可。

而hwmon子系统则主要借助sysfs、设备驱动模块中设备创建和注册以及属性创建，完成属性的创建，从而完成在sysfs中创建文件，供应用程序对硬件监视器芯片的访问（如在sysfs中完成对温度传感器当前温度的读取等）

三、Linux hwmon子系统架构

在hwmon子系统中，主要即借助设备驱动模型中设备的注册以及设备属性的创建，即可针对一个硬件监视器芯片创建多个属性文件，从而应用程序即可在/sys目录下实现对文件的访问。

如下图所示，通过访问/sys/class/hwmon/hwmon0目录下的属性文件，即可对相关属性进行访问，此处主要查看当前温度内容。

hwmon子系统主要提供了接口hwmon_attr_show、hwmon_attr_store，同时抽象了针对温度芯片、风扇芯片、电源芯片等硬件监控芯片相关参数的支持，即温度芯片、风扇芯片、电源芯片等硬件监控芯片相关参数的访问接口，均会在接口hwmon_attr_show、hwmon_attr_store中被统一调用，而温度芯片、风扇芯片、电源芯片等硬件监控芯片只需要实现hwmon_ops类型函数指针即可。调用关系如下所示，其中，HWMON子系统层则为hwmon子层抽象的部分，而最下层则由具体的hwmon 设备驱动实现即可。

Linux hwmon（硬件监控）子系统的实现流程涉及硬件驱动程序的编写、内核与硬件传感器之间的数据交互、以及通过 sysfs 文件系统向用户空间暴露硬件监控数据。具体的实现流程可以分为以下几个步骤：

1. 硬件检测与驱动加载

硬件监控传感器通常由专门的硬件芯片（如 CPU 温度传感器、主板传感器等）提供。每种硬件监控芯片通常都有相应的内核驱动来支持它。在 Linux 内核中，硬件监控通常通过特定的驱动模块（如 coretemp、w83627ehf 等）来加载。

驱动加载的步骤：

硬件检测：内核通过硬件信息（如 PCI、ISA 总线设备）或通过自动检测工具（如 sensors-detect）来发现硬件监控设备。
驱动注册：相应的硬件监控驱动被加载到内核中。该驱动通常会注册到 hwmon 子系统，使用 hwmon_device_register() 函数进行注册。

int hwmon_device_register(struct device *dev);

驱动程序会通过 hwmon_device_register 向 hwmon 子系统注册硬件传感器设备。

2. 硬件传感器数据读取

硬件监控设备通常暴露多个传感器数据，例如温度、电压、风扇转速等。驱动程序会通过硬件接口（例如读取 I/O 寄存器或使用 SMBus）来获取这些传感器的数据。

设备的 read 操作：驱动程序实现特定的读取函数来读取硬件监控传感器的数据。这些数据会被定期更新，并通过 sysfs 接口提供给用户空间程序。

例如，温度传感器的读取函数可能类似于下面的代码：

static ssize_t temp_show(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)
{
    int temp = read_temperature_from_sensor();
    return snprintf(buf, PAGE_SIZE, "%d\n", temp);
}

3. sysfs 接口暴露数据

在 hwmon 子系统中，数据通过 sysfs 文件系统暴露给用户空间。每个硬件监控设备通常会在 /sys/class/hwmon/ 目录下创建一个子目录。这个子目录包含与传感器相关的文件，如温度、电压、风扇转速等。

sysfs 文件：每个传感器的数据通常会有一个对应的文件（如 temp1_input、in1_input）。用户可以通过读取这些文件来获取硬件监控数据。

例如，温度传感器的数据可能通过 /sys/class/hwmon/hwmon0/temp1_input 文件暴露，风扇转速通过 /sys/class/hwmon/hwmon0/fan1_input 文件暴露。

4. 硬件监控数据更新

硬件监控驱动程序会定期从硬件传感器读取数据，并通过 hwmon 子系统更新这些数据。对于动态变化的传感器（如温度、风扇转速等），驱动程序可能会周期性地更新这些数值。

定时器/中断：驱动程序可能会使用定时器或硬件中断来定期更新传感器数据。例如，CPU 温度监控可能每 1 秒钟更新一次。
读取函数：每次用户空间请求数据时（例如通过读取 sysfs 文件），驱动会再次从硬件传感器读取当前值并返回。

5. 数据暴露与访问

当数据被成功地注册到 hwmon 子系统后，用户空间程序可以通过访问 sysfs 文件系统来获取硬件监控数据。常用的硬件监控工具（如 lm_sensors）会自动扫描 /sys/class/hwmon/ 下的硬件监控设备，并提供易于用户使用的接口。

用户可以使用 cat 命令直接读取硬件监控数据：

cat /sys/class/hwmon/hwmon0/temp1_input   # 获取温度
cat /sys/class/hwmon/hwmon0/fan1_input    # 获取风扇转速

6. 错误处理与边界条件

驱动程序还需要处理一些边界条件和错误。例如，在读取硬件传感器时，可能会出现以下情况：

传感器故障：如果硬件传感器无法正常读取，驱动程序应该返回错误代码或提供合理的默认值。
数据溢出：如果传感器数据超出其定义的范围（如温度超过最大允许值），驱动程序应当适当处理并报告错误。

7. 卸载驱动与清理

当硬件设备不再需要时，内核需要卸载相应的驱动程序并清理相关资源。这包括注销 hwmon 设备、释放内存、移除 sysfs 文件等。

void hwmon_device_unregister(struct device *dev);

8.总结：`hwmon` 子系统的实现流程

硬件检测：通过总线设备检测硬件监控设备，加载相关驱动。
驱动注册：驱动使用 hwmon_device_register() 注册硬件监控设备，并暴露传感器数据。
数据读取：驱动通过硬件接口读取传感器数据，并将数据暴露到 sysfs 文件系统中。
用户空间访问：用户空间通过读取 /sys/class/hwmon/ 下的文件来获取传感器数据。
更新与维护：硬件驱动程序周期性地更新传感器数据，并通过定时器或中断触发。
清理资源：驱动卸载时，清理资源并注销设备。