linux设备模型详解

linux设备模型详解 Linux 2.6内核的一个重要特色是提供了统一的内核设备模型。随着技术的不断进步，系统的拓扑结构越来越复杂，对智能电源管理、热插拔以及plug and play的支持要求也越来越高，2.4内核已经难以满足这些需求。为适应这种形势的需要，2.6内核开发了全新的设备模型。1． Sysfs文件系统Sysfs文件系统是一个类似于proc文件系统的特殊文件系统，用于将系统中的设备组织成层次结构，并向用户模式程序提供详细的内核数据结构信息。其顶层目录主要有：Block目录：包含所有的块设备Devices目录：包含系统所有的设备，并根据设备挂接的总线类型组织成层次结构Bus目录：包含系统中所有的总线类型Drivers目录：包括内核中所有已注册的设备驱动程序Class目录：系统中的设备类型（如网卡设备，声卡设备等）2． 内核对象机制关键数据结构  www.2cto.com  2.1 kobject内核对象Kobject 是Linux 2.6引入的新的设备管理机制，在内核中由struct kobject表示。通过这个数据结构使所有设备在底层都具有统一的接口，kobject提供基本的对象管理，是构成Linux 2.6设备模型的核心结构，它与sysfs文件系统紧密关联，每个在内核中注册的kobject对象都对应于sysfs文件系统中的一个目录。Kobject结构定义为：struct kobject {char * k_name;    指向设备名称的指针char name[KOBJ_NAME_LEN];   设备名称struct kref kref;    对象引用计数struct list_head entry;   挂接到所在kset中去的单元struct kobject * parent; 指向父对象的指针struct kset * kset;    所属kset的指针struct kobj_type * ktype;   指向其对象类型描述符的指针struct dentry * dentry; sysfs文件系统中与该对象对应的文件节点路径指针};其中的kref域表示该对象引用的计数，内核通过kref实现对象引用计数管理，内核提供两个函数kobject_get()、kobject_put()分别用于增加和减少引用计数，当引用计数为0时，所有该对象使用的资源将被释放。Ktype 域是一个指向kobj_type结构的指针，表示该对象的类型。Kobj_type数据结构包含三个域：一个release方法用于释放kobject占 用的资源；一个sysfs_ops指针指向sysfs操作表和一个sysfs文件系统缺省属性列表。Sysfs操作表包括两个函数store()和 show()。当用户态读取属性时，show()函数被调用，该函数编码指定属性值存入buffer中返回给用户态；而store()函数用于存储用户态传入的属性值。2.2　kset内核对象集合Kobject通常通过kset组织成层次化的结构，kset是具有相同类型的kobject的集合，在内核中用kset数据结构表示，定义为：struct kset {struct subsystem * subsys;   所在的subsystem的指针struct kobj_type * ktype;   指向该kset对象类型描述符的指针struct list_head list;      用于连接该kset中所有kobject的链表头struct kobject kobj;     嵌入的kobjectstruct kset_hotplug_ops * hotplug_ops; 指向热插拔操作表的指针};包含在kset中的所有kobject被组织成一个双向循环链表，list域正是该链表的头。Ktype域指向一个kobj_type结构，被该 kset中的所有kobject共享，表示这些对象的类型。Kset数据结构还内嵌了一个kobject对象（由kobj域表示），所有属于这个kset 的kobject对象的parent域均指向这个内嵌的对象。此外，kset还依赖于kobj维护引用计数：kset的引用计数实际上就是内嵌的 kobject对象的引用计数。2.3 subsystem内核对象子系统Subsystem是一系列kset的集合，描述系统中某一类设备子系统，如block_subsys表示所有的块设备，对应于sysfs文件系统中的block目录。类似的，devices_subsys对应于 sysfs中的devices目录，描述系统中所有的设备。Subsystem由struct subsystem数据结构描述，定义为：struct subsystem {struct kset kset;       内嵌的kset对象struct rw_semaphore rwsem; 互斥访问信号量};每 个kset必须属于某个subsystem，通过设置kset结构中的subsys域指向指定的subsystem可以将一个kset加入到该 subsystem。所有挂接到同一subsystem的kset共享同一个rwsem信号量，用于同步访问kset中的链表。 3． 内核对象机制主要相关函数针对内核对象不同层次的数据结构，linux 2.6内核定义了一系列操作函数，定义于lib/kobject.c文件中。  www.2cto.com  3.1　kobject相关函数void kobject_init(struct kobject * kobj)；kobject初始化函数。设置kobject引用计数为1，entry域指向自身，其所属kset引用计数加1。int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *format, ...)；设置指定kobject的名称。void kobject_cleanup(struct kobject * kobj)和void kobject_release(struct kref *kref)；kobject清除函数。当其引用计数为0时，释放对象占用的资源。struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj)；将kobj 对象的引用计数加1，同时返回该对象的指针。void kobject_put(struct kobject * kobj)；将kobj对象的引用计数减1，如果引用计数降为0，则调用kobject_release()释放该kobject对象。int kobject_add(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_register(struct kobject * kobj)；kobject注册函数。通过调用kobject_init()初始化kobj，再调用kobject_add()完成该内核对象的注册。void kobject_del(struct kobject * kobj)；从Linux设备层次(hierarchy)中删除kobj对象。void kobject_unregister(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0，则释放该kobject对象。3.2 kset相关函数与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。3.3 subsystem相关函数subsystem有一组完成类似的函数，分别是：void subsystem_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);4． 设备模型组件在上述内核对象机制的基础上，Linux的设备模型建立在几个关键组件的基础上，下面我们详细阐述这些组件。4.1 devices系统中的任一设备在设备模型中都由一个device对象描述，其对应的数据结构struct device定义为：struct device {struct list_head g_list; struct list_head node;    struct list_head bus_list;    struct list_head driver_list;    struct list_head children;    struct device *parent;    struct kobject kobj;    char bus_id[BUS_ID_SIZE];    struct bus_type *bus;    struct device_driver *driver;    void *driver_data;    /* Several fields omitted */};g_list 将该device对象挂接到全局设备链表中，所有的device对象都包含在devices_subsys中，并组织成层次结构。Node域将该对象挂接 到其兄弟对象的链表中，而bus_list则用于将连接到相同总线上的设备组织成链表，driver_list则将同一驱动程序管理的所有设备组织为链 表。此外，children域指向该device对象子对象链表头，parent域则指向父对象。Device对象还内嵌一个kobject对象，用于引 用计数管理并通过它实现设备层次结构。Driver域指向管理该设备的驱动程序对象，而driver_data则是提供给驱动程序的数据。Bus域描述设 备所连接的总线类型。内核提供了相应的函数用于操作device对象。其中Device_register()函数将一个新的device对象插 入设备模型，并自动在/sys/devices下创建一个对应的目录。Device_unregister()完成相反的操作，注销设备对象。 Get_device()和put_device()分别增加与减少设备对象的引用计数。通常device结构不单独使用，而是包含在更大的结构中作为一 个子结构使用，比如描述PCI设备的struct pci_dev，其中的dev域就是一个device对象。  www.2cto.com  4.2 drivers系统中的每个驱动程序由一个device_driver对象描述，对应的数据结构定义为：struct device_driver {    char *name;   设备驱动程序的名称    struct bus_type *bus; 该驱动所管理的设备挂接的总线类型    struct kobject kobj;    内嵌kobject对象    struct list_head devices;   该驱动所管理的设备链表头    int (*probe)(struct device *dev); 指向设备探测函数，用于探测设备是否可以被该驱动程序管理int (*remove)(struct device *dev); 用于删除设备的函数/* some fields omitted*/}；与device 结构类似，device_driver对象依靠内嵌的kobject对象实现引用计数管理和层次结构组织。内核提供类似的函数用于操作 device_driver对象，如get_driver()增加引用计数，driver_register()用于向设备模型插入新的driver对 象，同时在sysfs文件系统中创建对应的目录。Device_driver()结构还包括几个函数，用于处理热拔插、即插即用和电源管理事件。4.3   buses系统中总线由struct bus_type描述，定义为：struct bus_type { char   * name; 总线类型的名称struct subsystem subsys; 与该总线相关的subsystemstruct kset drivers; 所有与该总线相关的驱动程序集合struct kset devices; 所有挂接在该总线上的设备集合struct bus_attribute * bus_attrs; 总线属性struct device_attribute * dev_attrs; 设备属性struct driver_attribute * drv_attrs;   驱动程序属性int (*match)(struct device * dev, struct device_driver * drv);int (*hotplug) (struct device *dev, char **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size); int (*suspend)(struct device * dev, u32 state);int (*resume)(struct device * dev);}；每个bus_type对象都内嵌一个subsystem对象，bus_subsys对象管理系统中所有总线类型的subsystem对象。每个 bus_type对象都对应/sys/bus目录下的一个子目录，如PCI总线类型对应于/sys/bus/pci。在每个这样的目录下都存在两个子目 录：devices和drivers（分别对应于bus_type结构中的devices和drivers域）。其中devices子目录描述连接在该总 线上的所有设备，而drivers目录则描述与该总线关联的所有驱动程序。与device_driver对象类似，bus_type结构还包含几个函数 （match()、hotplug()等）处理相应的热插拔、即插即拔和电源管理事件。4.4 classes系统中的设备类由 struct class描述，表示某一类设备。所有的class对象都属于class_subsys子系统，对应于sysfs文件系统中的/sys/class目录。 每个class对象包括一个class_device链表，每个class_device对象表示一个逻辑设备，并通过struct class_device中的dev域（一个指向struct device的指针）关联一个物理设备。这样，一个逻辑设备总是对应于一个物理设备，但是一个物理设备却可能对应于多个逻辑设备。此外，class结构中 还包括用于处理热插拔、即插即拔和电源管理事件的函数，这与device对象和driver对象相似。 device modeldevice model主要的数据结构有三个： kobject, kset 和 subsystem. 相关数据结构：struct kobject { char   * k_name; char   name[KOBJ_NAME_LEN]; struct kref  kref; struct list_head entry; struct kobject  * parent; struct kset  * kset; struct kobj_type * ktype; struct dentry  * dentry;}; struct kset { struct subsystem * subsys; struct kobj_type * ktype; struct list_head list; spinlock_t  list_lock; struct kobject  kobj; struct kset_hotplug_ops * hotplug_ops;};   www.2cto.com  struct subsystem { struct kset  kset; struct rw_semaphore rwsem;}; 他们是整个device model的骨架（用面向对象的口气说：这叫基类（不是鸡肋^_`））。其他所有的结构，比如cdev，bus等等，都是在这些骨架上搭建起来的。kobject是最最基础的。很多结构都会有一个内嵌的kobject.kobject的引用计数功能是最重要的。 kset可以看作是一类kojbect的集合，而subsystem可以看作是若干kset的集合。 多个kset可以通过subsys指针指向一个subsystem。但subsystem仅包含一个内嵌的kset。这种单向关系意味着不可能仅仅通过一个subsystem结构体就找到该subsystem所有的ksets。他们的联系示意图如下：                                                                                                                  /----------------------------->     kset     <----------------------------/  |                              +------------+                             |  |                              |   subsys   |                             |  |                              +------------+                             |  |                              |   ktype    |                             |  |                              +------------+                             |  |   /------------------------->|   list     |<------------------------/   |  |   |                          +------------+                         |   |  |   |                    /---->|   kobj     |<---/                    |   |  |   |                    |     +------------+    |                    |   |  |   |                    |     | hotplug_ops|    |                    |   |  |   |                    |     +------------+    |                    |   |  |   |                    |                       |                    |   |  |   |                    |                       |                    |   |  |   |                    |                       |                    |   |  |   |                    |                       |                    |   |  |   |                    |                       |                    |   |  |   |                    |                       |                    |   |  |   |                    |                       |                    |   |  |   |       kobject      |                       |       kobject      |   |  |   |     +--------+     |                       |     +--------+     |   |  |   |     |        |     |                       |     |        |     |   |  |   |     +--------+     |                       |     +--------+     |   |  |   |     | parent |-----/                       /-----| parent |     |   |  |   |     +--------+                                   +--------+     |   |  |   /---->| entry  |<--------------------------------->| entry  |-----/   |  |         +--------+                                   +--------+         |  |         |        |                                   |        |         |  |         +--------+                                   +--------+         |  /---------| kset   |                                   | kset   |---------/            +--------+                                   +--------+              |        |                                   |        |              +--------+                                   +--------+              另外需要说明的是，kset中的list是贯穿所有kobject的双向链表，但是并不一定是通过kobject的entry字段穿在一起的。所有的kobject并不简单的是一个独立的kobject，而可能是内嵌在其他数据结构中的kobject(例如kset，subsystem 等等)                                                      subsystem       <-----/                         +------------------------+     |                        |             kset       |     |                        |        +-------------+ |     |                        |        |   subsys    |-------/                        |        +-------------+ |                             |        |   ktype     | |                       |  kset  +-------------+ |                       |        |   list      | |                       |        +-------------+ |                       |        |   kobj      | |                       |        +-------------+ |                       |        | hotplug_ops | |  www.2cto.com                         |        +-------------+ |                          |------------------------|                          |                        |                          |      rwsem             |                          |                        |                          +------------------------+                                   所有的kset一定属于一个subsystem中（kset的subsys指向某一个subsystem)对于subsystem内嵌的kset，如果没有设定它的subsys, 则是指向自身的subsystem。(见subsystem_register()函数)  作者 Tommy_wxie