Linux 2.6内核的设备模型

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
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 krefkref;    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_headlist;      用于连接该kset中所有kobject的链表头
struct kobjectkobj;     嵌入的kobject
struct 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 ksetkset;       内嵌的kset对象
struct rw_semaphorerwsem;  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。
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。
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subsystem
struct ksetdrivers;  所有与该总线相关的驱动程序集合
struct ksetdevices;  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。

５．结束语
Linux 2.6内核基于kobject内核对象机制将系统中的设备和驱动程序用device,driver等对象描述，并将其组织成一个层次结构的设备系统，统一管理各种类别的设备，同时借助sysfs文件系统将内核所见设备系统展示给用户空间，提供了一个完全层次结构的用户视图。依助这个全新的设备模型，2.6版的内核更加的稳定和可靠，具备更好的适应性和可用性，已经得到广大Linux爱好者和用户一致的认同和赞赏。