你知道Linux设备驱动模型是怎么样构成的？.doc

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1、你知道Linux设备驱动模型是怎么样构成的？尽管LDD3中说对多数程序员掌握设备驱动模型不是必要的，但对于嵌入式Linux的底层程序员而言，对设备驱动模型的学习非常重要。Linux设备模型的目的：为内核建立一个统一的设备模型，从而又一个对系统结构的一般性抽象描述。换句话说，Linux设备模型提取了设备操作的共同属性，进行抽象，并将这部分共同的属性在内核中实现，而为需要新添加设备或驱动提供一般性的统一接口，这使得驱动程序的开发变得更简单了，而程序员只需要去学习接口就行了。在正式进入设备驱动模型的学习之前，有必要把documentation/filesystems/sysfs.txt读一遍（不能偷

2、懒）。sysfs.txt主要描述/sys目录的创建及其属性，sys目录描述了设备驱动模型的层次关系，我们可以简略看一下/sys目录，block：所有块设备devices：系统所有设备（块设备特殊），对应struct device的层次结构bus：系统中所有总线类型（指总线类型而不是总线设备，总线设备在devices下），bus的每个子目录都包含-devices：包含到devices目录中设备的软链接-drivers：与bus类型匹配的驱动程序class：系统中设备类型（如声卡、网卡、显卡等）fs：一些文件系统，具体可参考filesystems /fuse.txt中例子dev：包含2个子目录-c

3、har：字符设备链接，链接到devices目录，以:命名-block：块设备链接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）。=Linux设备底层模型 =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

4、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 kobjectconstchar*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;

5、struct kref kref;/*kobject引用计数*/unsignedintstate_iniTIalized:1;unsignedintstate_in_sysfs:1;unsignedintstate_add_uevent_sent:1;unsignedintstate_remove_uevent_sent:1;unsignedintuevent_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

6、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#includestruct kobj_typevoid(*release)(struct kobject*kobj);/*释

7、放*/conststruct sysfs_ops*sysfs_ops;/*默认属性实现*/struct attribute*default_attrs;/*默认属性*/conststruct kobj_ns_type_operaTIons*(*child_ns_type)(struct kobject*kobj);constvoid*(*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

8、下，点击(此处)折叠或打开#includestruct attributeconstchar*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_opsssize_t(*show)(struct kobject*,struct attribute*,char*);ssize_t(*store)(struct

9、kobject*,struct attribute*,constchar*,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#include#include#include#include#includeMODULE_AUTHOR(xhzuoxin);MODULE_LICENSE(Dual BSD/GPL);void my_obj_releas

10、e(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,constchar*

11、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=NULL,;struct kobj_type my_ktype=.release=my_obj_release,.sysfs_

12、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(return 0;void _exit kobj_test_exit(void)printk(kobj_test exit.n);kobject_del(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

13、叠或打开intkobject_init_and_add(struct kobject*kobj,struct kobj_type*ktype,struct kobject*parent,constchar*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(

14、struct kobject*kobj);/设置指定kobject的名称intkobject_set_name(struct kobject*kobj,constchar*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kse

15、t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intkobject_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intkobject_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kobjec

16、t 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#includestruct ksetstruct

17、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*/conststruct 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

18、；kset_register()函数完成kset的注册而kset_unregister()函数则完成kset的注销。= 设备模型上层容器 =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

19、：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_typeconstchar*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

20、,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u

21、event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);conststruct dev_pm_ops*pm;struct

22、 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_attributestruct attribute attr;ssize_t(*show)(struct bus_type*bus,char*buf);ssize_t(*store)(struct bus_type*bus,constchar*buf

23、,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_privatestruct 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;/

24、*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s

25、truct 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(/*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 devicestruct device*parent;/*父设备，总线设备指定为NULL*/struc

26、t 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;constchar*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;/*mutextosynchronize callstoits driver*/struct bus_type*bus;/*type of bus deviceison*/struct device_driver*driver;/*which dri

27、ver has allocated this device*/void*platform_data;/*Platform specific data,device core doesnt touch it*/struct dev_pm_info power;#ifdef CONFIG_NUMAintnuma_node;/*NUMA node this deviceiscloseto*/#endifu64*dma_mask;/*dma mask(ifdmaable device)*/u64 coherent_dma_mask;/*Like dma_mask,butforalloc_coheren

28、t mappings asnotall hardware supports64 bit addressesforconsistentallocaTIons such descriptors.*/struct device_dma_parameters*dma_parms;struct list_head dma_pools;/*dma pools(ifdmable)*/struct dma_coherent_mem*dma_mem;/*internalforcoherent mem override*/*arch specific addiTIons*/struct dev_archdata

29、archdata;#ifdef CONFIG_OFstruct device_node*of_node;#endifdev_t devt;/*dev_t,creates the sysfsdev设备号*/spinlock_t devres_lock;struct list_head devres_head;struct klist_node knode_class;structclass*class;conststruct attribute_group*groups;/*optional groups*/void(*release)(struct device*dev);设备在sysfs文件

30、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/*interfaceforexporting device attributes*/struct device_attributestruct attribute attr;ssize_t(*show)(struct device*dev,struct device_attribute*attr,char*buf);ssize_t(*store)(struct device*dev,struct device_attribute

31、*attr,constchar*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*/intdevice_create_file(struct device*de

32、vice,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intdevice_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

33、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_devicechar*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 devi

34、ce_driverconstchar*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;constchar*mod_name;/*usedforbuilt-inmodules*/bool suppress_bind_attrs;/*disables bind/unbind via sysfs*/#ifdefined(CONFIG_OF)conststruct of_device_id*of_match_table;#endifint(*probe)(struct device*dev

35、);int(*remove)(struct device*dev);void(*shutdown)(struct device*dev);int(*suspend)(struct device*dev,pm_message_t state);int(*resume)(struct device*dev);conststruct attribute_group*groups;conststruct 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

36、 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 interfaceforexporti

37、ng driver attributes*/struct driver_attributestruct attribute attr;ssize_t(*show)(struct device_driver*driver,char*buf);ssize_t(*store)(struct device_driver*driver,constchar*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:*/intdriver_create_file(str

38、uct 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*/intdriver_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_

39、driver结构嵌入到新设备结构当中使用。=实例分析 =实例源代码主要来自LDD3提供的示例代码，因为LDD3的代码是linux-2.6.10版本，因此需要对源代码做一些修改。所有源代码参见：device_model.zip。因为两个模块关联，我们这使用一个Makefile文件同时编译2个模块，如下点击(此处)折叠或打开obj-m:=lddbus.o sculld.olddbus模块分析包括2个文件，lddbus.c（example/lddbus/）与lddbus.h（example/include/）。lddbus.h中使用extern申明了将要使用EXPORT_SYMBOL导出的变量ldd

40、_bus_type，lddbus.c中创建了总线类型ldd_bus_type以及总线设备ldd_bus。lddbus.h- extern ldd_bus_typelddbus.c- ldd_bus_type (EXPORT_SYMBOL)- ldd_bus由于版本变迁，对源代码做了修改，（i）热插拔不再使用hotplug函数，因此将该操作去掉了；（ii）dev-bus_id改成了使用dev_set_name()设置设备名称，使用init_name也可以设置，但后来发现init_name会在调用device_add之后就被赋值为NULL，这导致一个重大内核错误（kernel panic），将在后

41、面详述。分析源代码：作者定义了ldd_device与ldd_driver，两个变量分别内嵌device与device_driver结构，然后分别为ldd_device定义了注册函数register_ldd_device和注销函数unregister_ldd_device，对ldd_driver也做了类似的工作。还宏定义了to_ldd_driver和to_ldd_device来使用内嵌结构（device/device_driver）访问更上层的容器ldd_device和ldd_driver。但是不用着急，实际模块装载时没有使用ldd_device或者ldd_driver，而是将它们和相关的注册注

42、销等操作使用EXPORT_SYMBOL导出到其它模块使用（这将在实例sculld模块中看到）。struct ldd_device/register_ldd_device/unregister_ldd_device- struct device/ device_register/device_unregister- to_ldd_devicestruct ldd_driver也类似LDD3的Makefile中普遍使用了CFLAGS变量，但在新的内核版本中，该变量与内核Makefile的CFLAGS变量冲突，因此将所有的Makefile的CFLAGS变量替换成了EXTRA_CFLAGS。装载模块后

43、，查看/sys/bus目录下，增加了ldd文件夹，/sys/devices目录下增加了ldd0文件夹。sculld模块分析sculld模块是接着lddbus在加载lddbus基础上进行的，sculld使用了lddbus中导出的ldd_device和ldd_driver结构。我们大致分析下总体的设备和驱动注册的调用关系，scull_init()-register_ldd_driver() /由lddbus模块导出-driver_register()-sculld_register_dev()-register_ldd_dev() /由lddbus模块导出-device_register()装载程

44、序后查看bus/ldd/devices目录下，bus/ldd/drivers目录下多了驱动程序，多了4个设备，devices/ldd0下也多了4个设备。关于kernel panic错误在修改lddbus与sculld中，装载sculld模块时遇到如下错误，同时键盘大写字母指示灯闪烁，操作系统被锁定，只能强制关机。现在记录分析及解决错误的过程，从网上找到资料，kernel panic类型错误要跟踪信息，还好，使用的虚拟机，把出错的状态截屏了。kernnel panic错误分硬件和软件，一般是由于指针指向了NULL。硬件有EIP指示出错位置，如上图有一行EIP: strncmp+0x11/0x38好了，strncmp就是指示出错位置，然后到源代码中找到使用该函数地方，出错前为!strncmp(dev-init_name,driver-name,strlen(driver-name);前面说过，dev-init_name在调用device_register之后就被设置为NULL了，好了，就是它了，改成如下（通过kobj访问设备名称）就OK。!strncmp(dev-kobj.name,driver-name,strlen(driver-name);