《Linux Device Drivers》第十四章 Linux 设备型号

基本介绍

2.6内核设备模型来提供的抽象叙述性描述的一般系统的结构，为了支持各种不同的任务

电源管理和系统关机
用户空间与通信
热插拔设备
设备类型

kobject、kset和子系统

kobject是组成设备模型的基本结构

对象的引用计数
sysfs表述
数据结构关联
热插拔事件处理

kobject基础知识

<linux/kobject.h>
嵌入的kobject

内核代码非常少去创建一个单独的kobject对象。kobject用于控制对大型域相关对象的訪问

kobject的初始化

首先将kobject设置为0。通常使用memset
void kobject_init(struct kobject *kobj);
int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *format, …);
ktype、kset和parent

对引用计数的操作

struct kobject *kobjct_get(struct kobject *kobj);
void kobject_put(struct kobject *kobj);

release函数和kobject类型

void my_object_readse(struct kobject *kobj)

struct my_object *mine = container_of(kobj, struct my_object, kobj);
kfree(mine);

struct kobj_type

void (*release) (struct kobject *);
struct sysfs_ops *sysfs_ops;
struct attribute **default_attrs;

struct kobj_type *get_ktype(struct kobject *kobj);

kobject层次结构、kset和子系统

内核用kobject结构将各个对象连接起来组成一个分层的结构体系，有两种独立的机制用于连接：parent指针和kset
在kobject结构的parent成员中，保存了另外一个kobject结构的指针。这个结构表示了分层结构中上一层的节点
kset

一个kset是嵌入同样类型结构的kobject的集合
kset结构关心提对象的聚焦与集合
能够觉得kset是kobject的顶层容器类
kset总是在sysfs中出现
先把kobject的kset成员指向目的kset。然后使用以下函数加入kobject
int kobject_add(struct kobject *kobj);
extern int kobject_register(struct kobject *kobj);

kobject_init和kobject_add的简单组合

void kobject_del(struct kobject *kobj);
kset在一个标准的内核链表中保存了它的子节点

kset上的操作

void kset_init(struct kset *kset);
int kset_add(struct kset *kset);
int kset_register(struct kset *kset);
void kset_unregister(struct kset *kset);

子系统

子系统通常显示在sysfs分层结构中的顶层
内核中的子系统

block_subsys（对块设备来说是/sys/block）
devices_subsys（/sys/devices。设备分层结构的核心）
内核所知晓的用于各种总线的特定子系统
decl_subsys(name, struct kobj_type *type, struct kset_hotplug_ops *hotplug_ops);
void subsysstem_init(struct subsystem *subsys);
int subsystem_register(struct subsystem *subsys);
void subsystem_unregister(struct subsystem *subsys);
struct subsystem *subsys_get(struct subsystem *subsys);
void subsys_put(struct subsystem *subsys);

低层sysfs操作

kobject是隐藏在sysfs虚拟文件系统后的机制。对于sysfs中的每一个文件夹，内核中都会存在一个相应的kobject
<linux/sysfs.h>
sysfs入口

kobject在sysfs中的入口始终是一个文件夹
分配阀给kobject的名字是sysfs中的文件夹名
sysfs入口在文件夹中的位置相应于kobject的parent指针

默认属性

kobject默认属性保存在kobj_type结构中
default_attrs成员保存了属性列表
sysfs_ops提供了实现这些属性的方法
struct attribute

char *name
struct module *owner
mode_t mode

仅仅读：S_IRUGO
可写：S_IWUSR
<linux/stat.h>

struct sysfs_ops

ssize_t (*show) (struct kobject * kobj, struct attribute *attr, char *buffer);
ssize_t (*store) (struct kobject *kobj, struct attribute *attr, const char *buffer, size_t size);

非默认属性

int sysfs_create_file(struct kobject *kobj, struct attribute *attr);
int sysfs_remove_file(struct kobject *kobj, struct attribute *attr);

二进制属性

struct bin_attribute

struct attribute attr;
size_t size;
ssize_t (*read) (struct kobject *kobj, char *buffer, loff_t pos, size_t size);
ssize_t (*write) (struct kobject *kobj, char *buffer, loff_t pos, size_t size);

int sysfs_create_bin_file(struct kobject *kobj, struct bin_attribute *attr);
int sysfs_remove_bin_file(struct kobject *kobj, struct bin_attribute *attr);

符号链接

int sysfs_create_link(struct kobject *kobj, struct kobject *target, char *name);
void sysfs_remove_link(struct kobject *kobj, char *name);

热插拔事件的产生

一个热插拔事件是从内核空间发送到用户空间的通知。它表明系统配置出现了变化
不管kobject被创建还是被删除，都会产生这样的事件
热插拔操作

struct kset_hotplug_ops

int (*filter) (struct kset *kset, struct kobject *kobj);
char * (*name) (struct kset *kset, struct kobject *kobj);
int (*hotplug) (struct kset *kset, struct kobject *kobj, char **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size);

当内核要为指定的kobject产生事件时，都要调用filter函数。假设返回0，将不产生事件

总线、设备和驱动程序

总线

总线是处理器与一个或者多个设备之间的通道
<linux/device.h>

struct bus_type

char *name;
struct subsystem subsys;
struct kset drivers;
struct kset devices;
int (*match) (struct device *dev, struct device_driver *drv);
struct device *(*add) (struct device *parent, char *bus_id);
int (*hotplug) (struct device *dev, char **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size);

每一个总线都有自己的子系统
一个总线包括两个kset。分别代表了总线的驱动程序和插入总线的全部设备
总线的注冊

example

struct bus_type ldd_bus_type = {.name=”ldd”, .match=ldd_match, .hotplug=ldd_hotplug,};
ret = bus_register(&ldd_bus_type);
if (res) return ret;

void bus_unregister(struct bus_type *bus);

总线方法

当一个总线上的新设备或者新驱动程序被加入时，会一次或多次调用match函数
在为用户空间产生热插拔事件前，hotplug方法同意总线加入环境变量
在调用真实的硬件时，match函数通常对设备提供的硬件ID和驱动所支持的ID做某种类型的比較

对设备和驱动程序的迭代

int bus_for_each_dev(struct bus_type *bus, struct device *start, void *data, int (*fn) (struct device *, void *));
int bus_for_each_drv(struct bus_type *bus, struct device_driver *start, void *data, int (*fn)(struct device_driver *, void *));

总线属性

<linux/device.h>

struct bus_attribute

struct attribute attr;
ssize_t (*show) (struct bus_type *bus, char *buf);
ssize_t (*store) (struct bus_type *bus, const char *buf, size_t count);

BUS_ATTR(name, mode, show, store);
int bus_create_file(struct bus_type *bus, struct bus_attribute *attr);
void bus_remove_file(struct bus_tyep *bus, struct bus_attribute *attr);

设备

struct device

struct device *parent;
struct kobject kobj;
char bus_id[BUS_ID_SIZE];
struct bus_type *bus;
struct device_driver *driver;
void *driver_data
void (*release) (struct device *dev);

设备注冊

int device_register(struct device *dev);
void device_unregister(struct device *dev);

设备属性

struct device_attribute

struct attribute attr;
ssize_t (*show) (struct device *dev, char *buf);
ssize_t (*store) (struct device *dev, const char *buf, size_t count);

DEVICE_ATTR(name, mode, show, store);
int device_create_file(struct device *device, struct device_attribute *entry);
void device_remove_file(struct device *dev, struct device_attribute *attr);

设备结构的嵌入

device结构中包括了设备模型核心用来模拟系统的信息
通常，底层驱动程序并不知道device结构

设备驱动程序

struct device_driver

char *name;
struct bus_type *bus;
struct kobject kobj;
struct list_head devices;
int (*probe) (struct device *dev);
int (*remove) (struct device *dev);
void (*shutdown) (struct device *dev);

probe是用来查询特定设备是否存在的函数
当设备从系统中删除的时候要调用remove函数
在关机的时候调用shutdown函数关闭设备
int driver_register(struct device_driver *drv);
void driver_unregister(struct device_driver *drv);
struct driver_attribute

struct attribute attr;
ssize_t (*show) (struct device_driver *drv, char *buf);
ssize_t (*store) (struct device_driver *drv, const char *buf, size_t count);

int driver_create_file(struct device_driver *drv, struct driver_attribute *attr);
void driver_remove_file(struct device_driver *drv, struct driver_attribute *attr);
驱动程序结构的嵌入

device_driver结构通常被包括在高层和总结相关的结构中

类

类是一个设备的高层视图，它抽象出了低层的实现细节
差点儿全部类都显示在/sys/class文件夹中

/sys/class/net
/sys/class/input
/sys/class/tty
/sys/block

class_simple接口

创建类本身

struct class_simple *class_simple_create(struct module *owner, char *name);

销毁一个简单类

void class_simple_destroy(struct class_simple *cs);

为一个简单类加入设备

struct class_device *class_simple_device_add(struct class_simple *cs, dev_t devnum, struct device *device, const char *fmt, …);

int class_simple_set_hotplug(struct class_simple *cs, int (*hotplug) (struct class_device *dev, char **envp, int num_envp, crah *buffer, int buffer_size));
void class_simple_device_remove(dev_t dev);

完整的类接口

管理类

struct class

char *name;
struct class_attribute *class_attrs;
struct class_device_attribute *class_dev_attrs;
int (*hotplug) (struct class_device *dev, char **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size);
void (*release) (struct class_device *dev);
void (*class_release) (struct class *class);

int class_register(struct class *cls);
void class_unregister(struct class *cls);
struct class_attribute

struct attribute attr;
ssize_t (*show) (struct class *cls, char *buf);
ssize (*store) (struct class *cls, const char *buf, size_t count);

CLASS_ATTR(name, mode, show, store);
int class_create_file(struct class *cls, const struct class_attribute *attr);
void class_remove_file(struct class *cls, const struct class_attribute *attr);

类设备

strict class_device

struct kobject kobj;
struct class *class;
struct device *dev;
void *class_data;
char class_id[BUS_ID_SIZE];

int class_device_register(struct class_device *cd);
void class_device_unregister(struct class_device *cd);
int class_device_renmae(struct class_device *cd, char *new_name);
struct class_device_attribute

struct attribute attr;
ssize_t (*show) (struct class_device *cls, char *buf);
ssize_t (*store) (struct class_device *cls, const char *buf, size_t count);

CLASS_DEVICE_ATTR(name, mode, show, store);
int class_deivce_create_file(struct class_device *cls, const struct class_device_attribute *attr);
void class_device_remove_file(struct class_device *cls, const struct class_device_attribute *attr);

类接口

struct class_interface

struct class *class;
int (*add) (struct class_device *cd);
void (*remove) (struct class_device *cd);

int class_interface_register(struct class_interface *intf);
void class_interface_unregister(struct class_interface *intf);

各环节的整合

加入一个设备

PCI子系统声明了一个bus_type结构，称为pci_bus_type

struct bus_type pci_bus_type

.name = “pci”,
.match = pci_bus_match,
.hotplug = pci_hotplug,
.suspend = pci_device_suspend,
.resume = pci_device_resume,
.dev_attrs = pci_dev_attrs,

注冊后，将会创建一个sysfs文件夹/sys/bus/pci，当中包括了两个文件夹：devices和drivers
全部的PCI驱动程序都必须定义一个pci_driver结构变量。这个结构中包括了一个device_driver结构，在注冊PCI驱动程序时，这个结构将被初始化

drv->driver.name = drv->name;
drv->driver.bus = &pci_bus_type;
drv->driver.probe = pci_device_probe;
drv->driver.remove = pci_device_remove;
drv->driver.kobj.ktype = &pci_deiver_kobj_type;
error = driver_register(&drv->driver);

当一个PCI设备被找到时，PCI核心在内存中创建一个pci_dev类型的结构变量

struct pci_dev

unsigned int devfn;
unsigned short vendor;
unsigned short device;
unsigned short subsystem_vendor;
unsigned short subsystem_device;
unsigned int class;
struct pci_driver *driver;
struct device dev;

初始化时，device结构变量的parent变量被设置为PCI设备所在的总线设备

device_register(&dev->dev);
device_register函数中。驱动程序核心向kobject核心注冊设备的kobject
接着设备将被加入到与总线相关的全部设备链表中，遍历这个链表，而且为每一个驱动程序调用该总线的match函数，同一时候指定该设备
假设匹配工作圆满完毕，函数向驱动程序核心返回1。驱动程序核心将device结构中的driver指针指向这个驱动程序，然后调用device_driver结构中指定的probe函数

删除设备

调用pci_remove_bus_device函数
该函数做些PCI相关的清理工作，然后使用指向pci_dev中的device结构的指针。调用device_unregister函数
device_unregister函数中。驱动程序核心仅仅是删除了从绑定设备的驱动程序到sysfs文件的符号链接，从内部设备链表中删除了该设备，而且以device结构中的kobject结构指针为參数，调用kobject_del函数
kobject_del函数删除了设备的kobject引用，假设该引用是最后一个，就要调用该PCI设备的release函数

加入驱动程序

调用pci_register_driver函数时，一个PCI驱动程序被加入到PCI核心中
该函数仅仅是初始化了包括在pci_driver结构中的device_driver结构
PCI核心用包括在pci_driver结构的device_driver结构指针作为參数。在驱动程序核心内调用driver_register函数
driver_reigster函数初始化了几个device_driver中的锁。然后调用bus_add_driver函数，该函数按下面步骤操作

查找与驱动程序相关的总线
依据驱动程序的名字以及相关的总线。创建驱动程序的sysfs文件夹
获取总线内部的锁，接着遍历全部向总线注冊的设备。为这些设备调用match函数

删除驱动程序

调用pci_unregister_driver函数
该函数用包括在pci_driver结构中的device_driver结构作为參数。调用驱动程序核心函数driver_unregister
driver_unregister函数清除在sysfs树中属于驱动程序的sysfs属性
遍历全部属于该驱动程序的设备，并为其调用release函数

处理固件

将固件代码放入驱动程序会使驱动程序代码膨胀，使得固件升级困难，并easy导致许可证问题
不要把包括固件的驱动程序放入内核。或者包括在Linux发行版中
内核固件接口

<linux/firmware.h>

int request_firmware(const struct firmware **fw, char *name, struct device *device);
struct firmware

size_t size;
u8 *data;

void release_firmware(struct firmware *fw);
int request_firmware_nowait(struct module *module, char *name, struct device *device, void *context, void (*cont)(const struct firmware *fw, void *context));

工作原理

固件子系统使用sysfs和热插拔机制工作
调用request_firmware时，在/sys/class/firmware下将创建一个文件夹。该文件夹使用设备名作为它的文件夹名。该文件夹包括三个属性

loading

由负责装载固件的用户空间进程设置为1

data

是一个二进制属性，用来接收固件数据

device

该属性是到/sys/devices下对应入口的符号链接

一旦sysfs入口被创建，内核将为设备产生热插拔事件，传递给热插拔处理程序的环境包含一个FIRMWARE变量。它将设置为提供给request_firmware的名字
处理程序定位固件文件。使用所提供的属性把固件文件复制到内核，假设不能发现固件文件，处理程序将设置loading属性为-1
假设在10秒钟之内不能为固件的请求提供服务。内核将放弃努力并向驱动程序返回错误状态，这个超时值能够通过改动sysfs属性/sys/class/firmware/timeout来改变
不能在没有制造商许可的情况下发行设固件准备