嵌入式Linux驱动笔记(十六)------设备驱动模型(kobject、kset、ktype)

来源:互联网 发布:刘涛用什么软件直播 编辑:程序博客网 时间:2024/06/08 18:36

你好!这里是风筝的博客,

欢迎和我一起交流。

前几天去面试,被问到Linux设备驱动模型这个问题,没答好,回来后恶补知识,找了些资料,希望下次能答出个满意答案。


Linux早期时候,一个驱动对应一个设备,也就对应一个硬件地址,那当有两个一样的设备的时候,就要写两个驱动,显然是不合理的。应该是从Linux2.5开始,就引入了device-bus-driver模型。
其中设备驱动模型主要结构分为kset、kobject、ktype。

kset是同类型kobject对象的集合,可以说是一个容器。
kobject是总线、驱动、设备的三种对象的一个基类,实现公共接口。
ktype,记录了kobject对象的一些属性。

设备驱动模型的核心即是kobject,是为了管理日益增多的设备,使得设备在底层都具体统一的接口。他与sysfs文件系统紧密相连,每个注册的kobject都对应sysfs文件系统中的一个目录。为了直观管理,统一存放的路径,使用了kset。但是仅仅有这些目录没有意义,这两个结构体只能表示出设备的层次关系,所以基本不单独使用,会嵌入到更大的结构体中,(如希望在驱动目录下能看到挂在该总线上的各种驱动,而在设备目录下能看到挂在该总线的各种设备,就将kobject嵌入到描述设备以及驱动的结构体中,这样每次注册设备或驱动,都会在sys目录下有描述
放上一个经典的图:
这里写图片描述
这个图其实还漏了一个ktype,kobject都应该包含一个ktype。

Linux设备模型的目的是:为内核建立起一个统一的设备模型,从而有一个对系统结构的一般性抽象描述。

我们可以先看下一个小的测试程序:

#include <linux/device.h>  #include <linux/module.h>  #include <linux/init.h>  #include <linux/sysfs.h>  #include <linux/kernel.h>  #include <linux/stat.h>  #include <linux/slab.h>  #include <linux/string.h>static struct kset * my_kset;  struct test_kobj {    int number;    struct kobject kobj;/*嵌入更大的结构体*/};static struct test_kobj * test1;static struct attribute my_attr = {      .name = "name",      .mode = S_IRWXUGO,  };  /*attribute数组*/  static struct attribute *my_attrs[] = {      &my_attr,     NULL,  /*最后必须为NULL*/};static ssize_t kobject_attr_show(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,                   char *buf)  {      struct test_kobj *obj = container_of(kobj, struct test_kobj, kobj);    ssize_t count = 0;      printk("kobject 's number is %d\n", obj->number);     printk("kobject 's name is ");     count = sprintf(buf, "%s\n", kobject_name(kobj) );      return count;  }  static ssize_t kobject_attr_store(struct kobject *kobj, struct attribute *attr,                     const char *buf, size_t count)  {     struct test_kobj *obj = container_of(kobj, struct test_kobj, kobj);    sscanf(buf, "%d", &obj->number);    printk("%s\n", __FUNCTION__);      return count;  }static struct sysfs_ops my_sys_ops = {      .show   = kobject_attr_show,      .store  = kobject_attr_store,  }; void kobject_release(struct kobject *kobj)  {     struct test_kobj *obj = container_of(kobj, struct test_kobj, kobj);    kfree(obj);    printk("%s\n", __FUNCTION__);   }static struct kobj_type my_ktype = {      .release        = kobject_release,      .sysfs_ops  = &my_sys_ops,      .default_attrs  = my_attrs,  }; static int __init kobject_init_test(void)  {      int error;     my_kset = kset_create_and_add("kobject_test", NULL, NULL);      if (!my_kset) {          goto out;      }      test1 = kzalloc(sizeof(struct test_kobj), GFP_KERNEL);    if (!test1) {        kset_unregister(my_kset);        return -ENOMEM;    }    test1->number= 1;    error = kobject_init_and_add(&test1->kobj, &my_ktype, &my_kset->kobj, "test1");    if(error){          kobject_put(&test1->kobj);          goto out;      }    printk("%s success.\n", __FUNCTION__);      return 0;  out:      printk("%s failed!\n", __FUNCTION__);      return -1;  }static void __exit kobject_exit_test(void)  {      kobject_del(&test1->kobj);    kobject_put(&test1->kobj);    kset_unregister(my_kset);      printk("%s\n", __FUNCTION__);  }module_init(kobject_init_test);  module_exit(kobject_exit_test);  MODULE_DESCRIPTION("kobject test");  MODULE_LICENSE("GPL");  

这里写图片描述

可以看到,我们在使用kobject、kset、ktype结构,就在sysfs虚拟文件系统下创建(通过kset_create_and_add和kobject_init_and_add函数)了一些子目录(kobject_test)和属性文件。kset和kobject都可以创建出目录,但是kset的目录下存放kobject目录,kobject下存放属性文件(可以对属性文件进行读写操作,如上图name属性文件,而且kobject目录下也可以存放kobject目录,只需parent指向它即可)。
这个小程序没看懂?没关系,先看下面的分析:

我们对着Linux kernel源码分析下,可以下看看三个结构体的成员:

struct kset {    struct list_head list;//包含kobject的链表    spinlock_t list_lock;//在访问链表时加锁    struct kobject kobj;//嵌入的kobject     const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;//对发往用户空间的uevent的处理,如热拔插};
struct kobject {    const char      *name;//名字    struct list_head    entry;//连接到kset建立层次结构    struct kobject      *parent;//指向父节点,面向对象的层次架构    struct kset     *kset;//指向所属的kset     struct kobj_type    *ktype;//属性文件     struct kernfs_node  *sd; /* sysfs directory entry */    struct kref     kref;//引用计数#ifdef CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASE    struct delayed_work release;#endif    unsigned int state_initialized:1;//初始化状态    unsigned int state_in_sysfs:1;//是否处在sysfs下了    unsigned int state_add_uevent_sent:1;    unsigned int state_remove_uevent_sent:1;    unsigned int uevent_suppress:1;};
struct kobj_type {    void (*release)(struct kobject *kobj);/*用于释放kobject占用的资源*/     const struct sysfs_ops *sysfs_ops;/*提供实现以下属性的方法*/     struct attribute **default_attrs;/*用于保存类型属性列表(指针的指针)*/      const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);    const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);};

其实说到设备驱动模型,很容易想到platform,之前我们也说过:嵌入式Linux驱动学习笔记(五)——学习platform设备驱动
那我们现在就来具体分析这个吧:
init/main.c里:

kernel_init    ->kernel_init_freeable        ->do_basic_setup            ->driver_init

这是driver_init函数:

void __init driver_init(void){    /* These are the core pieces */    devtmpfs_init();    devices_init();/*device、dev目录*/    buses_init();/*bus目录*/    classes_init();/*class目录*/    firmware_init();/*firmware目录*/    hypervisor_init();/*hypervisor目录*/    /* These are also core pieces, but must come after the     * core core pieces.     */    platform_bus_init();    cpu_dev_init();    memory_dev_init();    container_dev_init();    of_core_init();}

我们看下devices_init函数:

int __init devices_init(void){    devices_kset = kset_create_and_add("devices", &device_uevent_ops, NULL);    if (!devices_kset)        return -ENOMEM;    dev_kobj = kobject_create_and_add("dev", NULL);    if (!dev_kobj)        goto dev_kobj_err;    sysfs_dev_block_kobj = kobject_create_and_add("block", dev_kobj);    if (!sysfs_dev_block_kobj)        goto block_kobj_err;    sysfs_dev_char_kobj = kobject_create_and_add("char", dev_kobj);    if (!sysfs_dev_char_kobj)        goto char_kobj_err;    return 0; char_kobj_err:    kobject_put(sysfs_dev_block_kobj);//删除 block_kobj_err:    kobject_put(dev_kobj); dev_kobj_err:    kset_unregister(devices_kset);    return -ENOMEM;}

这里面调用kset_create_and_add创建kset并返回给devices_kset,注意这里的devices_kset,可以说是/sys下最大的boss之一了,所有的物理设备都会在device目录下管理,/sys/device/目录是内核对系统中所有设备的分层次表达模型,保存了系统所有的设备。
然后调用kobject_create_and_add函数在/sys/目录下创建dev目录,/sys/dev目录下维护一个按照字符设备和块设备的主次号码(major:minor)链接到真是设备(/sys/devices)的符号链接文件,应用程序通过对这些文件的读写和控制,可以访问实际的设备。
最后再以dev_kobj为父节点,在/sys/dev/目录下创建block和char目录。

这里我们先看kobject_create_and_add函数,再分析kset_create_and_add函数:

struct kobject *kobject_create_and_add(const char *name, struct kobject *parent){    struct kobject *kobj;    int retval;    kobj = kobject_create();    if (!kobj)        return NULL;    retval = kobject_add(kobj, parent, "%s", name);    /*忽略部分无关代码*/    return kobj;}

其实里面函数也没啥,先创建kobject,初始化它,再添加,没啥好说的。
倒是除了kobject_create_and_add函数,还有一个类似的函数:kobject_init_and_add。
kobject_init_and_add传入一个kobject指针和kobj_type指针,然后进行初始化
kobject_create_and_add创建一个kobject变量,并返回其指针,它不用传入kobj_type指针

在kset_create_and_add函数里也会用到kobject,所以我们现在来分析下kset_create_and_add函数:

struct kset *kset_create_and_add(const char *name,                 const struct kset_uevent_ops *uevent_ops,                 struct kobject *parent_kobj){    struct kset *kset;    int error;    kset = kset_create(name, uevent_ops, parent_kobj);    if (!kset)        return NULL;    error = kset_register(kset);    if (error) {        kfree(kset);        return NULL;    }    return kset;}

里面就是具体的创建和注册kset了。
先说创建函数:

static struct kset *kset_create(const char *name,                const struct kset_uevent_ops *uevent_ops,                struct kobject *parent_kobj){    struct kset *kset;    int retval;    kset = kzalloc(sizeof(*kset), GFP_KERNEL);//分配kset空间    if (!kset)        return NULL;//失败就返回    retval = kobject_set_name(&kset->kobj, "%s", name);//设置kset的名字,也即内嵌kobject的名字    if (retval) {        kfree(kset);        return NULL;    }    kset->uevent_ops = uevent_ops;//kset属性操作    kset->kobj.parent = parent_kobj;//设置其parent     kset->kobj.ktype = &kset_ktype;//ktype指定为kset_ktype     kset->kobj.kset = NULL;    return kset;}

可以看出kset_create函数内容为:
1)调用kobject_set_name函数设置kobject的名称
2)设置kobject的uevent_ops、parent为传入的形参uevent_ops、parent_kobj
3)设置kobject的ktype为系统定义好的ktype变量
4)设置kobject的所属kset为NULL,意思是kobject所属的kset就是kset本身,因为kset结构体包含了一个kobject成员。

这里需要一个注意的,就是ktype 这个结构,即kset_ktype

static struct kobj_type kset_ktype = {    .sysfs_ops  = &kobj_sysfs_ops,    .release = kset_release,};

这里填充了一个释放函数,每个kobject必须有一个释放函数,并且这个kobject必须保持直到这个释放函数被调用到。如果这个条件不能被满足,则这个代码是有缺陷的。注意,假如你忘了提供释放函数,内核会提出警告的;不要尝试提供一个空的释放函数来消除这个警告,你会收到kobject维护者的无情嘲笑。
至于kobj_sysfs_ops,则是关于读写操作相关的操作集:

static const struct sysfs_ops sysfs_ops = {    .show   = show,    .store  = store,};

读文件时,会调用到.show的回调函数。
写文件时,会调用到.show的回调函数。

看完了创建函数,接下来是注册函数:

int kset_register(struct kset *k){    int err;    if (!k)        return -EINVAL;    kset_init(k);//初始化kset    err = kobject_add_internal(&k->kobj);/*初始化kobject,创建对应的sys目录*/      if (err)        return err;    kobject_uevent(&k->kobj, KOBJ_ADD);    return 0;}

kset_init函数主要是对kset初始化,会将初始化引用计数器(即kobj->kref)为1(当计数器引用计数没到0之前不可以被释放)。接着初始化entry链表结点,用于与所属的kset的list成员组成链表(INIT_LIST_HEAD(&kobj->entry)),以及一些参数的赋值。最后,还初始化以list成员为头结点的链表,它和子kobject的entry成员组成链表(INIT_LIST_HEAD(&k->list))。

kobject_add_internal函数就是关键的kobject函数了:

static int kobject_add_internal(struct kobject *kobj){    int error = 0;    struct kobject *parent;    if (!kobj)        return -ENOENT;    if (!kobj->name || !kobj->name[0]) {//如果kobject的名字为空.退出         WARN(1, "kobject: (%p): attempted to be registered with empty "             "name!\n", kobj);        return -EINVAL;    }    parent = kobject_get(kobj->parent);//如果kobj-parent为真,则增加kobj->kref计数,即父节点的引用计数    /* join kset if set, use it as parent if we do not already have one */    if (kobj->kset) {        if (!parent)            parent = kobject_get(&kobj->kset->kobj);//如果parent父节点为NULL那么就用kobj->kset->kobj作其父节点,并增加其引用计数        kobj_kset_join(kobj);//把kobj的entry成员添加到kobj->kset>list的尾部,现在的层次就是kobj->kset->list指向kobj->entry        kobj->parent = parent;    }    /*删除了部分调试内容*/    error = create_dir(kobj);//利用kobj创建目录和属性文件,其中会判断,如果parent为NULL那么就在sysfs_root_kn下创建    if (error) {        /*删除了部分内容*/    } else        kobj->state_in_sysfs = 1;//如果创建成功。将state_in_sysfs建为1。表示该object已经在sysfs中了    return error;}

kobject_add_internal函数内容在注释里都写好了,可以概括为:
1)如果kobject的parent成员为NULL,则把它指向kset的kobject成员。
2)如果kobject的kset成员不为NULL,它会调用kobj_kset_join函数把kobject的entry成员添加到kset的list链表中
3)最后调用create_dir函数创建sys目录

注册函数里最后一个调用就是kobject_uevent函数了,应该是关于热拔插机制的,这不是我们现在关心的内容。
好了,经过上面的折腾,就会在/sys/目录下建立一个devices目录。

接下来继续回到文章开头进入到的devices_init函数:

void __init driver_init(void){    /* These are the core pieces */    devtmpfs_init();    devices_init();/*device、dev目录*/    buses_init();/*bus目录*/    classes_init();/*class目录*/    firmware_init();/*firmware目录*/    hypervisor_init();/*hypervisor目录*/    /* These are also core pieces, but must come after the     * core core pieces.     */    platform_bus_init();    cpu_dev_init();    memory_dev_init();    container_dev_init();    of_core_init();}

我们之前分析的是devices_init函数,其实接下来几个函数都是一样的,在/sys/目录下创建各个目录。
只需要记住
devices_kset对应/sys/devices目录
bus_kset对应/sys/bus目录
devices_kset对应/sys/devices目录
system_kset对应/sys/devices/system目录
class_kset对应/sys/class目录
firmware_kobj对应/sys/firmware目录
hypervisor_kobj对应/sys/hypervisor目录

接下来看下platform_bus_init函数
也就是我们之前用的platform总线了!!
在driver/base/platform.c文件:

struct bus_type platform_bus_type = {    .name       = "platform",    .dev_groups = platform_dev_groups,    .match      = platform_match,//各种关键字匹配    .uevent     = platform_uevent,    .pm     = &platform_dev_pm_ops,};struct device platform_bus = {    .init_name  = "platform",};int __init platform_bus_init(void){    int error;    early_platform_cleanup();    error = device_register(&platform_bus);    if (error)        return error;    error =  bus_register(&platform_bus_type);    if (error)        device_unregister(&platform_bus);    of_platform_register_reconfig_notifier();    return error;}

这里,device_register就是在/sys/device/目录下创建platform

int device_register(struct device *dev){    device_initialize(dev);    return device_add(dev);}

其实也就包含两个函数,一个初始化,一个添加:

void device_initialize(struct device *dev){    dev->kobj.kset = devices_kset;//设置设备的kobject所属集合,devices_kset即对应/sys/devices/     kobject_init(&dev->kobj, &device_ktype);//初始化设备的kobject     INIT_LIST_HEAD(&dev->dma_pools);//初始化设备的DMA池,用于传递大数据    mutex_init(&dev->mutex);    lockdep_set_novalidate_class(&dev->mutex);    spin_lock_init(&dev->devres_lock);//初始化自旋锁,用于同步子设备链表     INIT_LIST_HEAD(&dev->devres_head);//初始化子设备链表头    device_pm_init(dev);    set_dev_node(dev, -1);#ifdef CONFIG_GENERIC_MSI_IRQ    INIT_LIST_HEAD(&dev->msi_list);#endif}

注释都写好了,看下device_add函数:

int device_add(struct device *dev){    struct device *parent = NULL;    struct kobject *kobj;    struct class_interface *class_intf;    int error = -EINVAL;    struct kobject *glue_dir = NULL;    dev = get_device(dev);//增加设备的kobject的引用计数    if (!dev)        goto done;    if (!dev->p) {        error = device_private_init(dev);//初始化dev的私有成员,及其链表操作函数        if (error)            goto done;    }    if (dev->init_name) {//保存设备名,以后需要获取时使用dev_name函数获取        dev_set_name(dev, "%s", dev->init_name);        dev->init_name = NULL;    }    /* subsystems can specify simple device enumeration */    if (!dev_name(dev) && dev->bus && dev->bus->dev_name)        dev_set_name(dev, "%s%u", dev->bus->dev_name, dev->id);    if (!dev_name(dev)) {        error = -EINVAL;        goto name_error;    }    pr_debug("device: '%s': %s\n", dev_name(dev), __func__);    parent = get_device(dev->parent);//返回父节点,增加父节点引用计数,如果没有返回NULL     kobj = get_device_parent(dev, parent);//以上层devices为准重设dev->kobj.parent      if (kobj)        dev->kobj.parent = kobj;    /* use parent numa_node */    if (parent && (dev_to_node(dev) == NUMA_NO_NODE))        set_dev_node(dev, dev_to_node(parent));    /* first, register with generic layer. */    /* we require the name to be set before, and pass NULL */    error = kobject_add(&dev->kobj, dev->kobj.parent, NULL);//设置dev->kobj的名字和父对象,并建立相应目录     if (error) {        glue_dir = get_glue_dir(dev);        goto Error;    }    /* notify platform of device entry */    if (platform_notify)        platform_notify(dev);    error = device_create_file(dev, &dev_attr_uevent);//建立uevent属性文件      if (error)        goto attrError;    error = device_add_class_symlinks(dev);    if (error)        goto SymlinkError;    error = device_add_attrs(dev);    if (error)        goto AttrsError;    error = bus_add_device(dev);    if (error)        goto BusError;    error = dpm_sysfs_add(dev);    if (error)        goto DPMError;    device_pm_add(dev);    if (MAJOR(dev->devt)) {        error = device_create_file(dev, &dev_attr_dev);//在sys下产生dev属性文件         if (error)            goto DevAttrError;        error = device_create_sys_dev_entry(dev);//在/sys/dev目录建立对设备的软链接        if (error)            goto SysEntryError;        devtmpfs_create_node(dev);    }    /* Notify clients of device addition.  This call must come     * after dpm_sysfs_add() and before kobject_uevent().     */    if (dev->bus)        blocking_notifier_call_chain(&dev->bus->p->bus_notifier,                         BUS_NOTIFY_ADD_DEVICE, dev);    kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD);//向用户空间发出KOBJ_ADD 事件     bus_probe_device(dev);//检测驱动中有无适合的设备进行匹配,现在只添加了设备,还没有加载驱动,所以不会进行匹配     if (parent)        klist_add_tail(&dev->p->knode_parent,                   &parent->p->klist_children);//把该设备的节点挂到其父节点的链表      if (dev->class) {        mutex_lock(&dev->class->p->mutex);        /* tie the class to the device */        klist_add_tail(&dev->knode_class,                   &dev->class->p->klist_devices);        /* notify any interfaces that the device is here */        list_for_each_entry(class_intf,                    &dev->class->p->interfaces, node)            if (class_intf->add_dev)                class_intf->add_dev(dev, class_intf);        mutex_unlock(&dev->class->p->mutex);    }    /*省略部分error内容*/}

device_add函数是比较重要的,注释基本都写好了,可以概括为:
1)增加kobj->kref计数
2)初始化dev的私有成员
3)设置设备名称
4)增加父节点引用计数
5)将dev->kobj添加到dev->kobj.parent对应目录下
6)dev->kobj下创建属性文件
7)在/sys/dev目录建立对设备的软链接
8)驱动检测

其中,驱动检测函数:bus_probe_device
我在嵌入式Linux驱动笔记(五)——学习platform设备驱动分析有,可以看看。

最后,我们接着看 bus_register(&platform_bus_type);
篇幅有点长了,函数我就写点重要的即可

int bus_register(struct bus_type *bus){    int retval;    struct subsys_private *priv;    struct lock_class_key *key = &bus->lock_key;    priv = kzalloc(sizeof(struct subsys_private), GFP_KERNEL);    if (!priv)        return -ENOMEM;    priv->bus = bus;    bus->p = priv;    BLOCKING_INIT_NOTIFIER_HEAD(&priv->bus_notifier);    retval = kobject_set_name(&priv->subsys.kobj, "%s", bus->name);    if (retval)        goto out;    priv->subsys.kobj.kset = bus_kset;    priv->subsys.kobj.ktype = &bus_ktype;    priv->drivers_autoprobe = 1;    retval = kset_register(&priv->subsys);    if (retval)        goto out;    retval = bus_create_file(bus, &bus_attr_uevent);    if (retval)        goto bus_uevent_fail;    priv->devices_kset = kset_create_and_add("devices", NULL,                         &priv->subsys.kobj);    if (!priv->devices_kset) {        retval = -ENOMEM;        goto bus_devices_fail;    }    priv->drivers_kset = kset_create_and_add("drivers", NULL,                         &priv->subsys.kobj);    if (!priv->drivers_kset) {        retval = -ENOMEM;        goto bus_drivers_fail;    }    /*后面的省略*/}

再次强调:
priv->subsys.kobj.kset = bus_kset;
priv->subsys.kobj.ktype = &bus_ktype;
这里设置了所属的kset和ktype。
ktype结构体里包含了sysfs_ops结构体,里面就是对文件的读写操作:

static const struct sysfs_ops bus_sysfs_ops = {    .show   = bus_attr_show,//读文件    .store  = bus_attr_store,//写文件};

最后,bus_register函数里还调用了kset_create_and_add函数在/sys/platform/目录下创建devices和drivers目录,里面存放我们platform平台下注册的设备和驱动。

好了,到此,我们就来再次小小归纳下
*在kset下还可能会有更深的kset
*kset包含一个或多个kobject,方便管理
*kobject并不一定需要kset
*kobject下有属性文件,·向用户层提供了表示和操作这个 kobject 的属性特征的接口
*kobject 下还有一些符号链接文件,指向其它的 kobject

现在,是不是对设备驱动模型有了更为直观的认识?现在回头看看文章开头的小程序,是不是轻而易举的理解了呢?

最后
这里有篇文章,是翻译了内核文档(Documentation\kobject.txt),可以看看:
http://www.cnblogs.com/helloahui/p/3674933.html

后记:关于uevent,在这里有描述:http://blog.csdn.net/fanqipin/article/details/8287343

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