Linux裝置驅動工程師之路——裝置模型（上）底層模型
Linux裝置驅動工程師之路——裝置模型（上）底層模型
K-Style
一、重要知識點
1.Sysfs檔案系統
Sysfs檔案系統是一種類似於proc檔案系統的特殊檔案系統，它存在於記憶體當中，當系統啟動時由核心掛載於記憶體當中。用於將系統中的裝置組織成層次結構，並向用戶模式程式提供詳細的資料結構資訊。
2.Linux裝置底層模型
1）為什麼要使用裝置模型
隨著系統的拓撲結構越來越複雜，以及要支援諸如電源管理等新特性的要求，於是在2.6的核心中出現了裝置模型。裝置模型其實就是一套資料結構建立起來的模型。核心使用該模型支援了多種不同的任務，包括：
a.電源管理和系統關機
裝置模型使作業系統能夠以正確的順序遍歷系統硬體。
b.與使用者空間通訊
Sysfs檔案系統向用戶空間提供系統資訊以及改變操作引數的結構。
c.熱插拔事件
d.裝置型別
系統中許多部分對裝置如何連線不感興趣，但是他們需要知道哪些型別裝置時可用的。裝置模型提供了將裝置分類的機制。
e.物件的生命週期
上述的許多功能，包括熱插拔支援和sysfs，使得核心中管理物件的工作更為複雜。裝置模型需要創造一套機制管理物件的生命週期。
2）Kobject
如果說裝置模型是一套房子的話,Kobject就是構造房子的磚塊。每個註冊的Kobject的都對應與Sysfs檔案系統中的一個目錄。Kobject是組成裝置模型的基本結構。類似於C++的基類，它潛入於更大的物件中——所謂的容器，用來描述裝置模型的元件。如bus,device,drivers都是典型的容器。這些容器就是通過kobject連線起來，形成一個樹狀結構。這個樹狀結構就與/sys檔案系統對應。不過kobject只能建立單層結構，也就是隻能建立一級目錄，要建立多級目錄，還要使用後面要介紹的Kset。
Kobject結構定義為：
struct kobject {
char * k name; 指向裝置名稱的指標
char name[KOBJ NAME LEN]; 裝置名稱
struct kref kref; 物件引用計數
struct list head entry; 掛接到所在kset中去的單元
struct kobject * parent; 指向父物件的指標
struct kset * kset; 所屬kset的指標
struct kobj type * ktype; 指向其物件型別描述符的指標
struct dentry * dentry; sysfs檔案系統中與該物件對應的檔案節點路徑指標
};
相關操作函式：
void kobjet_init(struct kobject*kobj)
初始化Kobject
int kobject_add(struct kobject*kobj)
將Kobject物件註冊到linux系統，如果失敗則返回一個錯誤碼.
int kobject_init_and_add(structkobject *kobj, kobj_type *ktype, struct kobject *parent, const *fmt…)
初始化並註冊kobject，kobject傳入要初始化的Kobject物件，ktype將在後面介紹到，parent指向上級的kobject物件，如果指定位NULL，將在/sys的頂層建立一個目錄。*fmt為kobject物件的名字。
kobject的ktype物件是一個指向kobject_type結構的指標，該結構記錄了kobject物件的一些屬性。每個kobject都需要對應一個相應的kobject結構。
struct kobj_type{
void (*release)(struct kobject *kobj);
structsysfs_ops *sysfs_ops;
structattribute **default_attrs;
};
release方法用於釋放kobject佔用的資源，當kobject引用計數為0時被呼叫。
kobje_type的attribute成員：
struct attribute{
char*name;//屬性檔名
structmodule *owner;
mode_tmode;
}
struct attribute(屬性)：對應於kobject的目錄下一個檔案,name就是檔名。
kobje_type的struct sysfs_ops成員：
struct sysfs_ops
{
ssize_t (*show)(structkobejct *, struct attribute *, char *name);
ssize_t (*store)(structkobejct *, struct attribute *, char *name);
}
show:當用戶讀屬性檔案時，該函式被呼叫，該函式將屬性值存入buffer中返回給使用者態；
store:當用戶寫屬性檔案時，該函式被呼叫，用於儲存使用者存入的屬性值。
Kobject測試模組：
- #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);
測試結果:
在/sys目錄下建立了kobject_test目錄
在kobject_test目錄下有kobj_config檔案
讀kobject_config檔案則呼叫了show函式。並在使用者空間顯示了show返回的kobject物件名字。
寫kobject_config檔案呼叫了store函式。
3）Kset
kset的主要功能是包容；我們可以認為他他是kobject的頂層容器。實際上，在每個kset物件的內部，包含了自己的kobject，並且可以用多種處理kobject的方法處理kset。如果說kobject是基類的話，那麼kset就是派送類。kobject通過kset組織成層次化的結構，kset是相同型別的組合。通俗的講，kobject建立一級的子目錄，kset可以為kobject建立多級的層次性的父目錄。
struct kset {
struct subsystem * subsys; 所在的subsystem的指標
struct kobj type * ktype; 指向該kset物件型別描述符的指標
struct list head list; 用於連線該kset中所有kobject的連結串列頭
struct kobject kobj; 嵌入的kobject
struct kset_uevent_ops * uevent_ops; 指向熱插拔操作表的指標
};
包含在kset中的所有kobject被組織成一個雙向迴圈連結串列，list域正是該連結串列的頭。Ktype域指向一個kobj type結構，被該kset中的所有kobject共享，表示這些物件的型別。Kset資料結構還內嵌了一個kobject物件（由kobj域表示），所有屬於這個kset 的kobject物件的parent域均指向這個內嵌的物件。此外，kset還依賴於kobj維護引用計數：kset的引用計數實際上就是內嵌的kobject物件的引用計數。
kset與kobject的關係圖
Kset操作：
int kset_register(struct kset*kset)
註冊kset
void kset_unregister(struct kset*kset)
登出kset
熱插拔事件：在linux系統中，當系統配置發生變化時，如新增kset到系統或移動kobject，一個通知會從核心空間傳送到使用者空間，這就是熱插拔事件。熱插拔事件會導致使用者空間中的處理程式（如udev,mdev）被呼叫，這些處理程式會通過載入驅動程式，建立裝置節點等來響應熱插拔事件。
對熱插拔事件的實際控制是由struct kset_uevent_ops結構中的函式完成的。
struct kset_uevnt_ops{
int (*filter)(struct kset *kset,struct kobject *kobj);
const char *(*name)(struct kset *kset, struct kobject *kobj );
int (*uevent)(struct kset *kset,struct kobject *kobj，struct kobj_uevent *env);
}
filter決定是否產生事件，如果返回0，將不產生事件。
name向用戶空間傳遞一個合適的字串
uevent通過環境變數傳遞任何熱插拔指令碼需要的資訊，他會在(udev或mdev)呼叫之前，提供新增環境變數的機會。
kset測試模組：
- #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);
測試結果：
可以看出當kset載入時，在/sys下建立了一個kset_p，在kset_p下面建立了kset_c，當kset模組被載入和解除安裝時都產生了熱插拔事件。
參考書籍：
《linux那些事兒之我是sysfs》
《linux裝置驅動程式（第三版）》
《國嵌課件》
PS:
請關注下一篇《Linux裝置驅動工程師之路——裝置模型（下）上層模型》
寫這玩意兒把我累壞了，呵呵。