linux進階：設備驅動模型_ZenDei技術網路在線

為什麼需要設備驅動模型內核版本發展 2.4版本之前內核沒有統一的設備驅動模型，但是可以用（例如先前的led字元設備驅動實驗，使用前需要手動調用mknod命令創建設備文件，從而進一步控制硬體）。 2.4~2.6版本內核使用devfs，掛載在/dev目錄。需要在內核驅動中創建設備文件（調用devfs_ ...

為什麼需要設備驅動模型

內核版本發展

2.4版本之前內核沒有統一的設備驅動模型，但是可以用（例如先前的led字元設備驅動實驗，使用前需要手動調用mknod命令創建設備文件，從而進一步控制硬體）。

2.4~2.6版本內核使用devfs，掛載在/dev目錄。需要在內核驅動中創建設備文件（調用devfs_register創建設備文件，無需手動mknod命令，需傳入設備文件名），命名過於死板（編譯後驅動對應的設備文件名固定，無法動態修改）。

2.6版本之後內核統一使用sysfs，掛載在/sys目錄。將設備分類、分層次統一進行管理，配合udev/mdev守護進程（開啟自啟，後臺運行，一直監聽內核驅動發出的消息）動態創建設備文件，命令規則自由制定。

sysfs虛擬文件系統在linux系統中體現出設備驅動模型，類似於proc文件系統，總是被掛載在/sys/掛載點上。目錄對應的inode節點會記錄基本驅動對象（kobject），從而將系統中的設備組成層次結構。用戶可以讀寫目錄下的不同文件來配置基本驅動對象（kobject）的不同屬性。

設備（device）：掛載在某個匯流排的物理設備。

驅動（driver）：與特定設備相關的軟體，負責初始化該設備以及提供一些操作該設備的操作方式。

匯流排（bus）：負責管理掛載對應匯流排的設備以及驅動。

類（class）：對於具有相同功能的設備，歸結到一種類別，進行分類管理。

/sys文件目錄記錄著各個設備之間的關係。

/sys/bus是按照匯流排類型分層放置的目錄結構，目錄下的每個子目錄都是已經註冊的匯流排類型。每個子目錄（匯流排類型）包含：devices文件夾、drivers文件夾。devices文件夾下是該匯流排類型的所有設備（里的所有設備都是符號鏈接，分別指向真正的設備/sys/devices/）。drivers文件夾下是所有註冊在這個匯流排上的驅動（每個driver子目錄下是一些可以觀察和修改的driver參數）。

/sys/devices目錄下是全局設備結構體系，包含所有被髮現的註冊在各種匯流排上的各種物理設備。一般來說，所有的物理設備都按其在匯流排上的拓撲結構來顯示。

/sys/class是按照設備功能分類的設備模型，目錄下包含所有已經註冊在內核的設備類型。

設備驅動模型基本元素

kobject：sysfs的一個目錄，常用來表示基本驅動對象，不允許發送消息到用戶空間。

kset：sysfs的一個目錄，常用來管理kobject，允許發送消息到用戶空間。

kobj_type：目錄下屬性文件的操作介面。

kobject既可以通過parent指針找到上層kobject，也可以通過kset指針找到上層kobject。但上層kobject對象無法遍歷到下層，所以較少使用。

kobject結構體

sysfs中每一個目錄都對應一個kobject，kobject結構體存放在內核/include/linux/kobject.h。

struct kobject {
        const char              *name;        //kobject的名稱，同時也是sysfs下的目錄名字
        struct list_head        entry;        //鏈表節點，用於將kobject加入到kset的list_head
        struct kobject          *parent;    //該kobject的上層節點，構建kobject間的層次關係（在sysfs體現為目錄結構）
        struct kset             *kset;        //該kobject所屬的kset對象（可以為NULL），用於批量管理kobject對象
        struct kobj_type        *ktype;        //該kobject的sysfs文件系統相關的操作和屬性
        struct kernfs_node      *sd;         //該kobject在sysfs文件系統中對應目錄項
        struct kref             kref;        //該kobject的引用次數
#ifdef CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASE
        struct delayed_work     release;
#endif
        unsigned int state_initialized:1;            //記錄內核對象的初始化狀態
        unsigned int state_in_sysfs:1;                //表示該kobject所代表的內核對象是否在sysfs建立目錄
        unsigned int state_add_uevent_sent:1;        //記錄是否已經向用戶空間發送ADD uevent事件
        unsigned int state_remove_uevent_sent:1;    //記錄是否已經向用戶空間發送REMOVE uevent事件
        unsigned int uevent_suppress:1;                //如果為1，則忽略所有上報的uevent事件
};

由於kobject添加到內核時，需要根據名字註冊到sysfs虛擬文件系統中，之後就不能再直接修改該名字。如果想改，需要調用kobject_rename介面，該介面會主動處理sysfs的相關事宜。
kset如果沒有指定的parent，則會把kset作為parent（kset是一個特殊的kobject）。

uevent提供了“用空空間通知”的功能實現，當內核中有kobject的增刪改等操作時，會通知用戶空間。

kset結構體

kset結構體存放在內核/include/linux/kobject.h。

struct kset {
        struct list_head list;                        //指向該kset下所有的kobject組成的鏈表
        spinlock_t list_lock;                        //避免操作鏈表時產生競態的自旋鎖
        struct kobject kobj;                        //該kset自己的kobject（kset是一個特殊的kobject，也會在sysfs中以目錄的形式體現）
        const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;    
} __randomize_layout;

uevent_ops為該kset的uevent操作函數集（函數指針）。當kset的某些kobject對象發生狀態變化需要通知用戶空間時，調用其中對應的函數來完成。
當任一kobject需要上報uevent時，都要調用它所屬的kset的uevent_ops，添加環境變數，或者過濾uevent（kset可以決定哪些uevent可以上報）。
因此一個kobject不屬於任一kset時，是不允許發生uevent的。

kobj_type結構體

kobj_type結構體存放在內核/include/linux/kobject.h。

struct kobj_type {
        /* 銷毀kobject對象時調用 */
        void (*release)(struct kobject *kobj);
        
        /* 該類型的kobject的sysfs虛擬文件系統操作介面（讀屬性介面show和寫屬性介面store） */
        const struct sysfs_ops *sysfs_ops;
        
        /* 該類型的kobject的attribute表（sysfs的一個文件）。將會在kobject添加到內核時，一併註冊到sysfs中 */
        struct attribute **default_attrs;
        
        const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);
        const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);
        void (*get_ownership)(struct kobject *kobj, kuid_t *uid, kgid_t *gid);
};

kobject：驅動的基石

步驟

創建一個kobject對象
創建一個sysfs的目錄項（kernfs_node）
把它們關聯起來

重點

關註sysfs目錄項與kobject對象的關聯過程
關註kobject對象預設的屬性文件操作介面

kobject主要提供如下功能：

通過parent指針，可以將所有kobject以層次結構的形式組合起來。
使用一個引用計數，來記錄kobject被引用的次數，併在引用計數為0時釋放kobject對象（這是kobject誕生時的唯一功能）。
和sysfs虛擬文件系統配合，將每一個kobject及其特性以文件形式顯示到用戶空間。
在Linux中，kobject幾乎不會單獨存在。它的主要功能就是內嵌在一個大型的數據結構中，為這個數據結構提供一些底層的功能實現。
Linux驅動開發者很少會直接使用kobject以及它提供的介面，而是使用構建在kobject之上的設備模型介面。

kobject_create_and_add()函數

存放在內核/lib/kobject.c

/**
 * kobject_create_and_add - 動態創建一個struct kobject並將其註冊到sysfs
 *
 * @name: 對象的名稱
 * @parent: 這個kobject的父kobject(如果有的話)。
 *
 * 這個函數動態地創建一個kobject結構並將其註冊到sysfs。當您完成此結構時，調用kobject_put()，當不再使用該結構時，該結構將被動態釋放。
 *
 * 如果無法創建kobject，則返回NULL。
 */
struct kobject *kobject_create_and_add(const char *name, struct kobject *parent)
{
        struct kobject *kobj;
        int retval;

        kobj = kobject_create();    //創建並初始化一個kobject對象        
        if (!kobj)
                return NULL;

        retval = kobject_add(kobj, parent, "%s", name);    //sysfs創建一個目錄項並與kobject對象關聯
        if (retval) {
                pr_warn("%s: kobject_add error: %d\n", __func__, retval);
                kobject_put(kobj);
                kobj = NULL;
        }
        return kobj;
}

kobject_create_and_add()函數是kobject_create函數和kobject_add函數的組合。整體功能是創建一個名字為“name”的kobject對象，並將其添加到指定的父kobject對象下。