linux设备驱动模型
Linux设备模型学习分为:Linux设备底层模型,描述设备的底层层次实现(kobject);Linux上层容器,包括总线类型(bus_type)、设备(device)和驱动(device_driver)。
谨记:像上面看到的一样,设备模型是层次的结构,层次的每一个节点都是通过kobject实现的。在文件上则体现在sysfs文件系统。
kobject结构
内核中存在struct kobject数据结构,每个加载到系统中的kobject都唯一对应/sys或者子目录中的一个文件夹。可以这样说,许多kobject结构就构成设备模型的层次结构。每个kobject对应一个或多个struct attribute描述属性的结构。
点击(此处)折叠或打开
- struct kobject {
- const char *name; /* 对应sysfs的目录名 */
- struct list_head entry; /* kobjetct双向链表 */
- struct kobject *parent; /* 指向kset中的kobject,相当于指向父目录 */
- struct kset *kset; /*指向所属的kset */
- struct kobj_type *ktype; /*负责对kobject结构跟踪*/
- struct sysfs_dirent *sd;
- struct kref kref; /*kobject引用计数*/
- unsigned int state_initialized:1;
- unsigned int state_in_sysfs:1;
- unsigned int state_add_uevent_sent:1;
- unsigned int state_remove_uevent_sent:1;
- unsigned int uevent_suppress:1;
- };
kobject结构是组成设备模型的基本结构,最初kobject设计只用来跟踪模块引用计数,现已增加支持,
—— sysfs表述:在sysfs中的每个对象都有对应的kobject
—— 数据结构关联:通过链接将不同的层次数据关联
—— 热插拔事件处理:kobject子系统将产生的热插拔事件通知用户空间
kobject一般不单独使用,而是嵌入到上层结构(比如struct device,struct device_driver)当中使用。kobject的创建者需要直接或间接设置的成员有:ktype、kset和parent。kset我们后面再说,parent设置为NULL时,kobject默认创建到/sys顶层目录下,否则创建到对应的kobject目录中。重点来分析ktype成员的类型,
点击(此处)折叠或打开
- #include <kobject.h>
- struct kobj_type {
- void (*release)(struct kobject *kobj); /* 释放 */
- const struct sysfs_ops *sysfs_ops; /* 默认属性实现 */
- struct attribute **default_attrs; /* 默认属性 */
- const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);
- const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);
- };
ktype包含了释放设备、默认属性以及属性的实现方法几个重要成员。每个kobject必须有一个release方法,并且kobject在该方法被调用之前必须保持不变(处于稳定状态)。默认属性的结构如下,
点击(此处)折叠或打开
- #include <linux/sysfs.h>
- struct attribute {
- const char *name; /* 属性名称 */
- mode_t mode; /* 属性保护:只读设为S_IRUGO,可写设为S_IWUSR */
- }
kobj_type中的default_attrs为二级结构指针,可以对每个kobject使用多个默认属性,最后一个属性使用NULL填充。struct sysfs_ops结构则如下,
点击(此处)折叠或打开
- struct sysfs_ops {
- ssize_t (*show)(struct kobject *, struct attribute *,char *);
- ssize_t (*store)(struct kobject *,struct attribute *,const char *, size_t);
- };
show方法用于将传入的指定属性编码后放到char *类型的buffer中,store则执行相反功能:将buffer中的编码信息解码后传递给struct attribute类型变量。两者都是返回实际的属性长度。
一个使用kobject的简单例子如下,
点击(此处)折叠或打开
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/init.h>
- #include <linux/device.h>
- #include <linux/string.h>
- #include <linux/sysfs.h>
- #include <linux/kernel.h>
-
- MODULE_AUTHOR("xhzuoxin");
- MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
-
- void my_obj_release(struct kobject *kobj)
-
{
- printk("release ok.n");
-
}
-
- ssize_t my_sysfs_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, char *buf)
-
{
- printk("my_sysfs_show.n");
- printk("attrname:%s.n", attr->name);
- sprintf(buf, "%s", attr->name);
- return strlen(attr->name) + 1;
-
}
-
- ssize_t my_sysfs_store(struct kobject *kobj, struct attribute *attr, const char *buf,
- size_t count)
-
{
- printk("my_sysfs_store.n");
- printk("write:%sn", buf);
-
- return count;
-
}
-
- struct sysfs_ops my_sysfs_ops = {
- .show = my_sysfs_show,
- .store = my_sysfs_store,
-
};
-
- struct attribute my_attrs = {
- .name = "zx_kobj",
- .mode = S_IRWXUGO,
-
};
-
- struct attribute *my_attrs_def[] = {
- &my_attrs,
- NULL,
-
};
- struct kobj_type my_ktype = {
- .release = my_obj_release,
- .sysfs_ops = &my_sysfs_ops,
- .default_attrs = my_attrs_def,
-
};
-
- struct kobject my_kobj ;
-
-
int __init kobj_test_init(void)
-
{
- printk("kobj_test init.n");
- kobject_init_and_add(&my_kobj, &my_ktype, NULL, "zx");
-
- return 0;
-
}
-
- void __exit kobj_test_exit(void)
-
{
- printk("kobj_test exit.n");
- kobject_del(&my_kobj);
-
}
-
- module_init(kobj_test_init);
- module_exit(kobj_test_exit);
例子中有两个函数,用于初始化添加和删除kobject结构,
点击(此处)折叠或打开
- int kobject_init_and_add(struct kobject *kobj, struct kobj_type *ktype,
- struct kobject *parent, const char *fmt, ...); /* fmt指定kobject名称 */
- void kobject_del(struct kobject *kobj);
加载模块后,在/sys目录下增加了一个叫zx达到目录,zx目录下创建了一个属性文件zx_kobj,使用tree /sys/zx查看。
内核提供了许多与kobject结构相关的函数,如下:
点击(此处)折叠或打开
- // kobject初始化函数
- void kobject_init(struct kobject * kobj);
-
// 设置指定kobject的名称
-
int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *format, ...);
-
// 将kobj 对象的引用计数加,同时返回该对象的指针
- struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj);
-
// 将kobj对象的引用计数减,如果引用计数降为,则调用kobject release()释放该kobject对象
- void kobject_put(struct kobject * kobj);
-
// 将kobj对象加入Linux设备层次。挂接该kobject对象到kset的list链中,增加父目录各级kobject的引// 用计数,在其parent指向的目录下创建文件节点,并启动该类型内核对象的hotplug函数
-
int kobject_add(struct kobject * kobj);
-
// kobject注册函数,调用kobject init()初始化kobj,再调用kobject_add()完成该内核对象的注册
-
int kobject_register(struct kobject * kobj);
-
// 从Linux设备层次(hierarchy)中删除kobj对象
- void kobject_del(struct kobject * kobj);
-
// kobject注销函数. 与kobject register()相反,它首先调用kobject del从设备层次中删除该对象,再调// 用kobject put()减少该对象的引用计数,如果引用计数降为,则释放kobject对象
- void kobject_unregister(struct kobject * kobj);
kset结构
我们先看上图,kobject通过kset组织成层次化的结构,kset将一系列相同类型的kobject使用(双向)链表连接起来,可以这样 认为,kset充当链表头作用,kset内部内嵌了一个kobject结构。内核中用kset数据结构表示为:
点击(此处)折叠或打开
- #include <linux/kobject.h>
- struct kset {
- struct list_head list; /* 用于连接kset中所有kobject的链表头 */
- spinlock_t list_lock; /* 扫描kobject组成的链表时使用的锁 */
- struct kobject kobj; /* 嵌入的kobject */
- const struct kset_uevent_ops *uevent_ops; /* kset的uevent操作 */
- };
与kobject 相似,kset_init()完成指定kset的初始化,kset_get()和kset_put()分别增加和减少kset对象的引用计数。Kset_add()和kset_del()函数分别实现将指定keset对象加入设备层次和从其中删除;kset_register()函数完成kset的注册而kset_unregister()函数则完成kset的注销。
这里要描述的上层容器包括总线类型(bus_type)、设备(device)和驱动(device_driver),这3个模型环环相扣,参考图9-2。为何称为容器?因为bus_type/device/device_driver结构都内嵌了Linux设备的底层模型(kobject结构)。为什么称为上层而不是顶层?因为实际的驱动设备结构往往内嵌bus_type/device/device_driver这些结构,比如pci,usb等。
总线类型、设备、驱动3者之间关系:
在继续之前,自我感觉需要区分2个概念:总线设备与总线类型。总线设备本质上是一种设备,也需要像设备一样进行初始化,但位于设备的最顶层,总线类型是一种在设备和驱动数据结构中都包含的的抽象的描述(如图9-2),总线类型在/sys/bus目录下对应实体,总线设备在/devices目录下对应实体。
总线类型bus_type
内核对总线类型的描述如下:
点击(此处)折叠或打开
- struct bus_type {
- const char *name; /* 总线类型名 */
- struct bus_attribute *bus_attrs; /* 总线的属性 */
- struct device_attribute *dev_attrs; /* 设备属性,为每个加入总线的设备建立属性链表 */
- struct driver_attribute *drv_attrs; /* 驱动属性,为每个加入总线的驱动建立属性链表 */
-
-
/* 驱动与设备匹配函数:当一个新设备或者驱动被添加到这个总线时,这个方法会被调用一次或多次,若指定的驱动程序能够处理指定的设备,则返回非零值。必须在总线层使用这个函数, 因为那里存在正确的逻辑,核心内核不知道如何为每个总线类型匹配设备和驱动程序 */
- int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
-
/*在为用户空间产生热插拔事件之前,这个方法允许总线添加环境变量(参数和 kset 的uevent方法相同)*/
- int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
- int (*probe)(struct device *dev); /* */
- int (*remove)(struct device *dev); /* 设备移除调用操作 */
- void (*shutdown)(struct device *dev);
-
- int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
- int (*resume)(struct device *dev);
-
- const struct dev_pm_ops *pm;
-
- struct subsys_private *p; /* 一个很重要的域,包含了device链表和drivers链表 */
- };
接着对bus_type中比较关注的几个成员进行简述,
[1] struct bus_attribute结构,device_attribute与driver_attribute将分别在设备和驱动分析过程中看到,
点击(此处)折叠或打开
- 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);
- };
[2] subsys_private中包含了对加入总线的设备的链表描述和驱动程序的链表描述,省略的部分结构如下
点击(此处)折叠或打开
- struct subsys_private {
- struct kset subsys;
- struct kset *devices_kset; /* 使用kset构建关联的devices链表头 */
- struct kset *drivers_kset; /* 使用kset构建关联的drivers链表头 */
- struct klist klist_devices; /* 通过循环可访问devices_kset的链表 */
- struct klist klist_drivers; /* 通过循环可访问drivers_kset的链表 */
- struct bus_type *bus; /* 反指向关联的bus_type结构 */
- ......
- };
bus_type通过扫描设备链表和驱动链表,使用mach方法查找匹配的设备和驱动,然后将struct device中的*driver设置为匹配的驱动,将struct device_driver中的device设置为匹配的设备,这就完成了将总线、设备和驱动3者之间的关联。
bus_type只有很少的成员必须提供初始化,大部分由设备模型核心控制。内核提供许多函数实现bus_type的注册注销等操作,新注册的总线可以再/sys/bus目录下看到。
点击(此处)折叠或打开
- struct bus_type ldd_bus_type = { /* bus_type初始化 */
- .name = "ldd",
- .match = ldd_match, /* 方法实现参见实例 */
- .uevent = ldd_uevent, /* 方法实现参见实例 */
-
};
- ret = bus_register(&ldd_bus_type); /* 注册,成功返回0 */
-
if (ret)
- return ret;
- void bus_unregister(struct bus_type *bus); /* 注销 */
设备device
设备通过device结构描述,
点击(此处)折叠或打开
- struct device {
- struct device *parent; /* 父设备,总线设备指定为NULL */
- struct device_private *p; /* 包含设备链表,driver_data(驱动程序要使用数据)等信息 */
- struct kobject kobj;
- const char *init_name; /* 初始默认的设备名,但@device_add调用之后又重新设为NULL */
- struct device_type *type;
- struct mutex mutex; /* mutex to synchronize calls to its driver */
- struct bus_type *bus; /* type of bus device is on */
- struct device_driver *driver; /* which driver has allocated this device */
- void *platform_data; /* Platform specific data, device core doesn't touch it */
- struct dev_pm_info power;
-
- #ifdef CONFIG_NUMA
- int numa_node; /* NUMA node this device is close to */
- #endif
- u64 *dma_mask; /* dma mask (if dma'able device) */
- u64 coherent_dma_mask;/* Like dma_mask, but for
- alloc_coherent mappings as
- not all hardware supports
- 64 bit addresses for consistent
- allocations such descriptors. */
- struct device_dma_parameters *dma_parms;
- struct list_head dma_pools; /* dma pools (if dma'ble) */
- struct dma_coherent_mem *dma_mem; /* internal for coherent mem override */
- /* arch specific additions */
- struct dev_archdata archdata;
- #ifdef CONFIG_OF
- struct device_node *of_node;
- #endif
-
- dev_t devt; /* dev_t, creates the sysfs "dev" 设备号 */
- spinlock_t devres_lock;
- struct list_head devres_head;
- struct klist_node knode_class;
- struct class *class;
- const struct attribute_group **groups; /* optional groups */
-
- void (*release)(struct device *dev);
- };
设备在sysfs文件系统中的入口可以有属性,这通过struct device_attribute单独描述,提供device_create_file类型函数添加属性。
点击(此处)折叠或打开
- /* interface for exporting device attributes */
- struct device_attribute {
- struct attribute attr;
- ssize_t (*show)(struct device *dev, struct device_attribute *attr,
- char *buf);
- ssize_t (*store)(struct device *dev, struct device_attribute *attr,
- const char *buf, size_t count);
- };
使用宏DEVICE_ATTR宏可以方便地再编译时构建设备属性,构建好属性之后就必须将属性添加到设备。
点击(此处)折叠或打开
- /* 最终生成变量dev_attr_##_name描述属性,
-
* 比如DEVICE_ATTR(zx,S_IRUGO,show_method,NULL);
-
* 则create_file中entry传入实参为dev_attr_zx */
-
DEVICE_ATTR(_name,_mode,_show,_store);
-
/*属性文件的添加与删除使用以下函数 */
-
int device_create_file(struct device *device, struct device_attribute * entry);
- void device_remove_file(struct device * dev, struct device_attribute * attr);
总线设备的注册:总线设备与一般设备一样,需要单独注册,与一般设备不同,总线设备的parent与bus域设为NULL。一般设备注册注销函数为
点击(此处)折叠或打开
- int device_register(struct device *dev); /* 成功返回0,需要检查返回值 */
- void device_unregister(struct device *dev);
实际创建新设备时,不是直接使用device结构,而是将device结构嵌入到具体的设备结构当中,比如
点击(此处)折叠或打开
- struct ldd_device {
- char *name; /* 设备名称 */
- struct ldd_driver *driver; /* ldd设备关联的驱动 */
- struct device dev; /* 嵌入的device结构 */
-
};
-
/* 同时提供根据device结构获取ldd_device结构的宏定义 */
- #define to_ldd_device(dev) container_of(dev, struct ldd_device, dev);
驱动device_driver
驱动结构描述,
点击(此处)折叠或打开
- struct device_driver {
- const char *name; /* 驱动名称,在sysfs中以文件夹名出现 */
- struct bus_type *bus; /* 驱动关联的总线类型 */
- struct module *owner;
- const char *mod_name; /* used for built-in modules */
- bool suppress_bind_attrs; /* disables bind/unbind via sysfs */
-
- #if defined(CONFIG_OF)
- const struct of_device_id *of_match_table;
- #endif
-
- int (*probe) (struct device *dev);
- int (*remove) (struct device *dev);
- void (*shutdown) (struct device *dev);
- int (*suspend) (struct device *dev, pm_message_t state);
- int (*resume) (struct device *dev);
- const struct attribute_group **groups;
-
- const struct dev_pm_ops *pm;
-
- struct driver_private *p;
-
};
- struct driver_private { /* 定义device_driver中的私有数据类型 */
- struct kobject kobj; /* 内建kobject */
- struct klist klist_devices; /* 驱动关联的设备链表,一个驱动可以关联多个设备 */
- struct klist_node knode_bus;
- struct module_kobject *mkobj;
- struct device_driver *driver; /* 连接到的驱动链表 */
-
};
- #define to_driver(obj) container_of(obj, struct driver_private, kobj)
与设备和总线类似,驱动可以有属性,需要单独定义并添加。
点击(此处)折叠或打开
- /* sysfs interface for exporting driver attributes */
- struct driver_attribute {
- struct attribute attr;
- ssize_t (*show)(struct device_driver *driver, char *buf);
- ssize_t (*store)(struct device_driver *driver, const char *buf,
- size_t count);
-
};
-
DRIVER_ATTR(_name,_mode,_show,_store); /* 最终创建变量driver_attr_##_name描述属性 */
-
/*属性文件创建的方法:*/
-
int driver_create_file(struct device_driver * drv, struct driver_attribute * attr);
- void driver_remove_file(struct device_driver * drv, struct driver_attribute * attr);
驱动的注册与注销
点击(此处)折叠或打开
- /*注册device_driver 结构的函数 */
-
int driver_register(struct device_driver *drv);
- void driver_unregister(struct device_driver *drv);
与设备结构一样,在编写新设备的驱动程序时,常常将device_driver结构嵌入到新设备结构当中使用。