linux进阶：设备驱动模型

温州人

为什么需要设备驱动模型

内核版本发展

2.4版本之前内核没有统一的设备驱动模型，但是可以用（例如先前的led字符设备驱动实验，使用前需要手动调用mknod命令创建设备文件，从而进一步控制硬件）。
2.4~2.6版本内核使用devfs，挂载在/dev目录。需要在内核驱动中创建设备文件（调用devfs_register创建设备文件，无需手动mknod命令，需传入设备文件名），命名过于死板（编译后驱动对应的设备文件名固定，无法动态修改）。
2.6版本之后内核统一使用sysfs，挂载在/sys目录。将设备分类、分层次统一进行管理，配合udev/mdev守护进程（开启自启，后台运行，一直监听内核驱动发出的消息）动态创建设备文件，命令规则自由制定。

sysfs虚拟文件系统在linux系统中体现出设备驱动模型，类似于proc文件系统，总是被挂载在/sys/挂载点上。目录对应的inode节点会记录基本驱动对象（kobject），从而将系统中的设备组成层次结构。用户可以读写目录下的不同文件来配置基本驱动对象（kobject）的不同属性。
 
设备（device）：挂载在某个总线的物理设备。
驱动（driver）：与特定设备相关的软件，负责初始化该设备以及提供一些操作该设备的操作方式。
总线（bus）：负责管理挂载对应总线的设备以及驱动。
类（class）：对于具有相同功能的设备，归结到一种类别，进行分类管理。
 
/sys文件目录记录着各个设备之间的关系。
/sys/bus是按照总线类型分层放置的目录结构，目录下的每个子目录都是已经注册的总线类型。每个子目录（总线类型）包含：devices文件夹、drivers文件夹。devices文件夹下是该总线类型的所有设备（里的所有设备都是符号链接，分别指向真正的设备/sys/devices/）。drivers文件夹下是所有注册在这个总线上的驱动（每个driver子目录下是一些可以观察和修改的driver参数）。
/sys/devices目录下是全局设备结构体系，包含所有被发现的注册在各种总线上的各种物理设备。一般来说，所有的物理设备都按其在总线上的拓扑结构来显示。
/sys/class是按照设备功能分类的设备模型，目录下包含所有已经注册在内核的设备类型。
 
设备驱动模型基本元素

kobject：sysfs的一个目录，常用来表示基本驱动对象，不允许发送消息到用户空间。
kset：sysfs的一个目录，常用来管理kobject，允许发送消息到用户空间。
kobj_type：目录下属性文件的操作接口。

kobject既可以通过parent指针找到上层kobject，也可以通过kset指针找到上层kobject。但上层kobject对象无法遍历到下层，所以较少使用。
 
kobject结构体

sysfs中每一个目录都对应一个kobject，kobject结构体存放在内核/include/linux/kobject.h。

1. struct kobject {
2.         const char              *name;        //kobject的名称，同时也是sysfs下的目录名字
3.         struct list_head        entry;        //链表节点，用于将kobject加入到kset的list_head
4.         struct kobject          *parent;    //该kobject的上层节点，构建kobject间的层次关系（在sysfs体现为目录结构）
5.         struct kset             *kset;        //该kobject所属的kset对象（可以为NULL），用于批量管理kobject对象
6.         struct kobj_type        *ktype;        //该kobject的sysfs文件系统相关的操作和属性
7.         struct kernfs_node      *sd;         //该kobject在sysfs文件系统中对应目录项
8.         struct kref             kref;        //该kobject的引用次数
9. #ifdef CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASE
10.         struct delayed_work     release;
11. #endif
12.         unsigned int state_initialized:1;            //记录内核对象的初始化状态
13.         unsigned int state_in_sysfs:1;                //表示该kobject所代表的内核对象是否在sysfs建立目录
14.         unsigned int state_add_uevent_sent:1;        //记录是否已经向用户空间发送ADD uevent事件
15.         unsigned int state_remove_uevent_sent:1;    //记录是否已经向用户空间发送REMOVE uevent事件
16.         unsigned int uevent_suppress:1;                //如果为1，则忽略所有上报的uevent事件
17. };

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由于kobject添加到内核时，需要根据名字注册到sysfs虚拟文件系统中，之后就不能再直接修改该名字。如果想改，需要调用kobject_rename接口，该接口会主动处理sysfs的相关事宜。
kset如果没有指定的parent，则会把kset作为parent（kset是一个特殊的kobject）。
uevent提供了“用空空间通知”的功能实现，当内核中有kobject的增删改等操作时，会通知用户空间。
 
kset结构体

kset结构体存放在内核/include/linux/kobject.h。

1. struct kset {
2.         struct list_head list;                        //指向该kset下所有的kobject组成的链表
3.         spinlock_t list_lock;                        //避免操作链表时产生竞态的自旋锁
4.         struct kobject kobj;                        //该kset自己的kobject（kset是一个特殊的kobject，也会在sysfs中以目录的形式体现）
5.         const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;   
6. } __randomize_layout;

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uevent_ops为该kset的uevent操作函数集（函数指针）。当kset的某些kobject对象发生状态变化需要通知用户空间时，调用其中对应的函数来完成。
当任一kobject需要上报uevent时，都要调用它所属的kset的uevent_ops，添加环境变量，或者过滤uevent（kset可以决定哪些uevent可以上报）。
因此一个kobject不属于任一kset时，是不允许发生uevent的。
 
kobj_type结构体

kobj_type结构体存放在内核/include/linux/kobject.h。

1. struct kobj_type {
2.         /* 销毁kobject对象时调用 */
3.         void (*release)(struct kobject *kobj);
4.         
5.         /* 该类型的kobject的sysfs虚拟文件系统操作接口（读属性接口show和写属性接口store） */
6.         const struct sysfs_ops *sysfs_ops;
7.         
8.         /* 该类型的kobject的attribute表（sysfs的一个文件）。将会在kobject添加到内核时，一并注册到sysfs中 */
9.         struct attribute **default_attrs;
10.         
11.         const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);
12.         const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);
13.         void (*get_ownership)(struct kobject *kobj, kuid_t *uid, kgid_t *gid);
14. };

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kobject：驱动的基石

步骤

• 创建一个kobject对象
  
• 创建一个sysfs的目录项（kernfs_node）
  
• 把它们关联起来
  

 
重点

• 关注sysfs目录项与kobject对象的关联过程
  
• 关注kobject对象默认的属性文件操作接口
  

 
kobject主要提供如下功能：

• 通过parent指针，可以将所有kobject以层次结构的形式组合起来。
  
• 使用一个引用计数，来记录kobject被引用的次数，并在引用计数为0时释放kobject对象（这是kobject诞生时的唯一功能）。
  
• 和sysfs虚拟文件系统配合，将每一个kobject及其特性以文件形式显示到用户空间。
  
• 在Linux中，kobject几乎不会单独存在。它的主要功能就是内嵌在一个大型的数据结构中，为这个数据结构提供一些底层的功能实现。
  
• Linux驱动开发者很少会直接使用kobject以及它提供的接口，而是使用构建在kobject之上的设备模型接口。
  

 
kobject_create_and_add()函数

存放在内核/lib/kobject.c

1. struct kobject *kobject_create_and_add(const char *name, struct kobject *parent)
2. {
3.         struct kobject *kobj;
4.         int retval;
6.         kobj = kobject_create();                            //创建并初始化一个kobject对象
7.         if (!kobj)
8.                 return NULL;
10.         retval = kobject_add(kobj, parent, "%s", name);        //sysfs创建一个目录项并与kobject对象关联
11.         if (retval) {
12.                 pr_warn("%s: kobject_add error: %d\n", __func__, retval);
13.                 kobject_put(kobj);
14.                 kobj = NULL;
15.         }
16.         return kobj;
17. }

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kobject_create_and_add()函数是kobject_create函数和kobject_add函数的组合。整体功能是创建一个名字为“name”的kobject对象，并将其添加到指定的父kobject对象下。
 

来源:https://www.cnblogs.com/couvrir/p/17635705.html
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