《Linux Device Drivers》第十四章 Linux 设备模型

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• 简介
  • 2.6内核的设备模型提供一个对系统结构的一般性抽象描述，用以支持多种不同的任务
    • 电源管理和系统关机
    • 与用户空间通信
    • 热插拔设备
    • 设备类型
    • 对象生命周期
• 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
      • 内核代码很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访问
    • 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是嵌入相同类型结构的kobject的集合
      • kset结构关心提对象的聚焦与集合
      • 可以认为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，然后使用下面函数添加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中的每个目录，内核中都会存在一个对应的kobject
  • <linux/sysfs.h>
  • sysfs入口
    • kobject在sysfs中的入口始终是一个目录
    • 分配阀给kobject的名字是sysfs中的目录名
    • sysfs入口在目录中的位置对应于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
        • 只读：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
  • 无论kobject被创建还是被删除，都会产生这种事件
  • 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，如果返回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);
    • 每个总线都有自己的子系统
    • 一个总线包含两个kset，分别代表了总线的驱动程序和插入总线的所有设备
    • 总线的注册
      • 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添加时，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方法允许总线添加环境变量
      • 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做某种类型的比较
    • 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);
    • 设备注册
      • 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结构中包含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结构通常被包含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
  • 几乎所有类都显示在/sys/class目录中
    • /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);
    • 为一个简单类添加设备
      • 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
  • 添加一个设备
    • 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,
    • 注册后，将会创建一个sysfs目录/sys/bus/pci，其中包含了两个目录：devices和drivers
    • 所有的PCI驱动程序都必须定义一个pci_driver结构变量，这个结构中包含了一个device_driver结构，在注册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核心注册设备的kobject
    • 接着设备将被添加到与总线相关的所有设备链表中，遍历这个链表，并且为每个驱动程序调用该总线的match函数，同时指定该设备
    • 如果匹配工作圆满完成，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，驱动程序核心只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，并且以device结构中的kobject结构指针为参数，调用kobject_del函数
    • kobject_del函数删除了设备的kobject引用，如果该引用是最后一个，就要调用该PCI设备的release函数
  • 添加驱动程序
    • 调用pci_register_driver函数时，一个PCI驱动程序被添加到PCI核心中
    • 该函数只是初始化了包含在pci_driver结构中的device_driver结构
    • PCI核心用包含在pci_driver结构的device_driver结构指针作为参数，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，该函数按以下步骤操作
      • 查找与驱动程序相关的总线
      • 根据驱动程序的名字以及相关的总线，创建驱动程序的sysfs目录
      • 获取总线内部的锁，接着遍历所有向总线注册的设备，为这些设备调用match函数
  • 删除驱动程序
    • 调用pci_unregister_driver函数
    • 该函数用包含在pci_driver结构中的device_driver结构作为参数，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
    • 遍历所有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，并容易导致许可证问题
  • 不要把包含固件的驱动程序放入内核，或者包含在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下将创建一个目录，该目录使用设备名作为它的目录名，该目录包含三个属性
      • 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下相应入口的符号链接
    • 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括一个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拷贝到内核，如果不能发现固件文件，处理程序将设置loading属性为-1
    • 如果在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，这个超时值可以通过修改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备的固件

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