【正文】 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程模型之上層容器篇 分類： Linux 20121006 17:18 245人閱讀 評(píng)論(0) 收藏 舉報(bào) linux編程struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)listnull——統(tǒng)一設(shè)備模型(devicemodel)。設(shè)備模型提供了一個(gè)獨(dú)立的機(jī)制專門來(lái)表示設(shè)備，并描述其在系統(tǒng)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而使得系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：l代碼重復(fù)最小化。l提供諸如引用計(jì)數(shù)這樣的統(tǒng)一機(jī)制。l可以列舉系統(tǒng)中所有的設(shè)備，觀察它們的狀態(tài)，并且查看它們連接的總線。l可以將系統(tǒng)中的全部設(shè)備結(jié)構(gòu)以樹的形式完整、有效的展現(xiàn)出來(lái)——包括所有的總線和內(nèi)部連接。l可以將設(shè)備和其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，反之亦然。l可以將設(shè)備按照類型加以歸類，比如分類為輸入設(shè)備，而無(wú)需理解物理設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。l可以沿設(shè)備樹的葉子向其根的方向依次遍歷，以保證能以正確順序關(guān)閉各設(shè)備的電源。最后一點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型的最初動(dòng)機(jī)。若想在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)智能的電源管理，就需要來(lái)建立表示系統(tǒng)中設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系的樹結(jié)構(gòu)。當(dāng)在樹上端的設(shè)備關(guān)閉電源時(shí)，內(nèi)核必須首先關(guān)閉該設(shè)備節(jié)點(diǎn)以下的（處于葉子上的）設(shè)備電源。比如內(nèi)核需要先關(guān)閉一個(gè)USB鼠標(biāo)，然后才可關(guān)閉USB控制器；同樣內(nèi)核也必須在關(guān)閉PCI總線前先關(guān)閉USB控制器。簡(jiǎn)而言之，若要準(zhǔn)確而又高效的完成上述電源管理目標(biāo)，內(nèi)核無(wú)疑需要一顆設(shè)備樹。一、原理雖然設(shè)備模型的初衷是為了方便電源管理而提供出的一種設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是，為了方便調(diào)試，設(shè)備模型的開發(fā)者決定將設(shè)備結(jié)構(gòu)樹導(dǎo)出為一個(gè)文件系統(tǒng)，這就是sysfs文件系統(tǒng)，它可以幫助用戶能以一個(gè)簡(jiǎn)單文件系統(tǒng)的方式來(lái)觀察系統(tǒng)中各種設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這個(gè)舉措很快被證明是非常明智的，首先sysfs代替了先前處于/proc下的設(shè)備相關(guān)文件；另外它為系統(tǒng)對(duì)象提供了一個(gè)很有效的視圖。實(shí)際上，sysfs起初被稱為driverfs。最終sysfs使得我們認(rèn)識(shí)到一個(gè)全新的對(duì)象模型非常有利于系統(tǒng)。，而且?guī)缀醵己翢o(wú)例外的將其掛載。圖一是掛載于/sys目錄下的sysfs文件系統(tǒng)的局部視圖。/sys|—block/||–fd0||–hda||–dev||–device../../devices/pci0000:00/0000:00:|…|–bus/|–class/|–devices/|–firmware/|–power/|–module/Sysfs的根目錄下包含了七個(gè)目錄：block,bus,class,devices,firmware,,module和power。block目錄下的每個(gè)子目錄都對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)中的一個(gè)塊設(shè)備。反過(guò)來(lái)，每個(gè)目錄下又都包含了該塊設(shè)備的所有分區(qū)。bus目錄提供了一個(gè)系統(tǒng)總線視圖。class目錄包含了以高層功能邏輯組織起來(lái)的系統(tǒng)設(shè)備視圖。devices目錄是系統(tǒng)中設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)視圖，它直接映射出了內(nèi)核中設(shè)備結(jié)構(gòu)體的組織層次。firmware目錄包含了一些諸如ACPI,EDD,EFI等低層子系統(tǒng)的特殊樹。power目錄包含了系統(tǒng)范圍的電源管理數(shù)據(jù)。其中最重要的目錄是devices，該目錄將設(shè)備模型導(dǎo)出到用戶空間。目錄結(jié)構(gòu)就是系統(tǒng)中實(shí)際的設(shè)備拓?fù)洹Ｆ渌夸浿械暮芏鄶?shù)據(jù)都是將devices目錄下的數(shù)據(jù)加以轉(zhuǎn)換加工而得。比如,/sys/class/net/目錄是以注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)接口這一高層概念來(lái)組織設(shè)備關(guān)系的，在這個(gè)目中可能會(huì)有目錄eth0，它里面包含的devices文件其實(shí)就是一個(gè)指回到devices下實(shí)際設(shè)備目錄的符號(hào)連接。隨便看看任何你可訪問(wèn)到的Linux系統(tǒng)，這種系統(tǒng)設(shè)備視圖相當(dāng)準(zhǔn)確和漂亮，而且可以看到class中的高層概念與devices中的低層物理設(shè)備，以及bus中的實(shí)際驅(qū)動(dòng)程序之間互相聯(lián)絡(luò)是非常廣泛的。Sysfs文件系統(tǒng)的目標(biāo)就是要展現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型組件之間的層次關(guān)系。在Linux中，sysfs文件系統(tǒng)被安裝于/sys目錄下：mounttsysfssysfs/sys/sys|—block/||–fd0||–hda||–dev||–device../../devices/pci0000:00/0000:00:|…|–bus/|–class/|–devices/|–firmware/|–power/|–module/那么，在這樣的目錄樹中，哪些目錄是驅(qū)動(dòng)模型要關(guān)注的對(duì)象？bus系統(tǒng)中用于連接設(shè)備的總線，在內(nèi)核中對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體為structbus_type{…}。device內(nèi)核所識(shí)別的所有設(shè)備，依照連接它們的總線對(duì)其進(jìn)行組織,對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體為structdevice{…}。class系統(tǒng)中設(shè)備的類型（聲卡，網(wǎng)卡，顯卡，輸入設(shè)備等），同一類中包含的設(shè)備可能連接到不同的總線,對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體為structclass{…}。為什么不對(duì)Power進(jìn)行單獨(dú)描述？實(shí)際上，Power與device有關(guān)，它只是device中的一個(gè)字段。除此之外，立馬閃現(xiàn)在我們腦子里的對(duì)象還有：driver在內(nèi)核中注冊(cè)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體為structdevice_driver{…}。以上bus,device,class,driver，是可以感受到的對(duì)象，在內(nèi)核中都用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體來(lái)描述。而實(shí)際上，按照面向?qū)ο蟮乃枷?，我們需要抽象出一個(gè)最基本的對(duì)象，這就是設(shè)備模型的核心對(duì)象kobject.Kobject是Linux，在內(nèi)核中就是一個(gè)structkobject結(jié)構(gòu)體。有了這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)核中所有設(shè)備在底層都具有統(tǒng)一的接口，kobject提供基本的對(duì)象管理，它與sysfs文件系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)，每個(gè)在內(nèi)核中注冊(cè)的kobject對(duì)象都對(duì)應(yīng)于sysfs文件系統(tǒng)中的一個(gè)目錄。Kobject是組成設(shè)備模型的基本結(jié)構(gòu)。類似于C++中的基類，它嵌入于更大的對(duì)象中，即所謂的容器，如上面提到的bus,class，devices,drivers都是典型的容器，它們是描述設(shè)備模型的組件。二、主要對(duì)象介紹1，核心對(duì)象kobject話說(shuō)kobject是驅(qū)動(dòng)模型的核心對(duì)象，但在sysfs文件系統(tǒng)中似乎并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的項(xiàng)，而這種看似“無(wú)”，實(shí)際上蘊(yùn)藏著“有”。這“有”從何說(shuō)起。回想文件系統(tǒng)中的核心對(duì)象“索引節(jié)點(diǎn)（indoe）”和目錄項(xiàng)“dentry”：Inode—與文件系統(tǒng)中的一個(gè)文件相對(duì)應(yīng)（而實(shí)際上，只有文件被訪問(wèn)時(shí)，才在內(nèi)存創(chuàng)建索引節(jié)點(diǎn)）。Dentry每個(gè)路徑中的一個(gè)分量，例如路徑/bin/ls，其中/、bin和ls三個(gè)都是目錄項(xiàng)，只是前兩個(gè)是目錄，而最后一個(gè)是普通文件。也就是說(shuō)，目錄項(xiàng)目錄項(xiàng)或者是一子目錄，或者是一個(gè)文件。從上面的定義可以看出，indoe和dentry誰(shuí)的包容性更大？當(dāng)然是dentry！那么，kobject與dentry有何關(guān)系？由此我們可以推想，把dentry作為kobject中的一個(gè)字段，恍然間，kobject變得強(qiáng)大起來(lái)了。何謂“強(qiáng)大“，因?yàn)檫@樣以來(lái)，就可以方便地將kobject映射到一個(gè)dentry上，也就是說(shuō)，kobject與/sys下的任何一個(gè)目錄或文件相對(duì)應(yīng)了，進(jìn)一步說(shuō)，把kobject導(dǎo)出形成文件系統(tǒng)就變得如同在內(nèi)存中構(gòu)建目錄項(xiàng)一樣簡(jiǎn)單。由此可知，kobject其實(shí)已經(jīng)形成一棵樹了。這就是以隱藏在背后的對(duì)象模型為橋梁，將驅(qū)動(dòng)模型和sysfs文件系統(tǒng)全然聯(lián)系起來(lái)。由于kobject被映射到目錄項(xiàng)，同時(shí)對(duì)象模型層次結(jié)構(gòu)也已經(jīng)在內(nèi)存形成一個(gè)樹，因此sysfs的形成就水到渠成了。既然，kobject要形成一顆樹，那么其中的字段就要有parent，以表示樹的層次關(guān)系；另外，kobject不能是無(wú)名氏，得有name字段，按說(shuō)，目錄或文件名并不會(huì)很長(zhǎng)，但是，sysfs文件系統(tǒng)為了表示對(duì)象之間復(fù)雜的關(guān)系，需要通過(guò)軟鏈接達(dá)到，而軟鏈接常常有較長(zhǎng)的名字。[cpp] view plaincopyprint?1. /*設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)kobject2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于sysfs文件系統(tǒng)中的一個(gè)目錄*/3. structkobject{4. constchar*name。/*指向含有容器名稱的字符*/5. structlist_headentry。/*用于kobject所插入的鏈表的指針*/6. structkobject*parent。/*指向父kobject*/7. structkset*kset。/*指向包含的kset*/8. structkobj_type*ktype。/*指向kobject的類型的描述符*/9. structsysfs_dirent*sd。/*用同一種structsysfs_dirent來(lái)統(tǒng)一設(shè)備模型中的kset/kobject/attr/attr_group.*/10. structkrefkref。/*容器的引用計(jì)數(shù)器*/11. unsignedintstate_initialized:1。/*指明kobject是否被初始化*/12. unsignedintstate_in_sysfs:1。/*指明是否使用了sysfs*/13. unsignedintstate_add_uevent_sent:1。/*熱插拔加載事件*/14. unsignedintstate_remove_uevent_sent:1。/*熱插拔卸載事件*/15. unsignedintuevent_suppress:1。/*如果設(shè)置了uevent_suppress字段，說(shuō)明不希望產(chǎn)生事件，忽略事件正確返回*/16. }。[cpp] view plaincopyprint?1. /*設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)kobject2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于sysfs文件系統(tǒng)中的一個(gè)目錄*/3. structkobject{4. constchar*name。/*指向含有容器名稱的字符*/5. structlist_headentry。/*用于kobject所插入的鏈表的指針*/6. structkobject*parent。/*指向父kobject*/7. structkset*kset。/*指向包含的kset*/8. structkobj_type*ktype。/*指向kobject的類型的描述符*/9. structsysfs_dirent*sd。/*用同一種structsysfs_dirent來(lái)統(tǒng)一設(shè)備模型中的kset/kobject/attr/attr_group.*/10. structkrefkref。/*容器的引用計(jì)數(shù)器*/11. unsignedintstate_initialized:1。/*指明kobject是否被初始化*/12. unsignedintstate_in_sysfs:1。/*指明是否使用了sysfs*/13. unsignedintstate_add_uevent_sent:1。/*熱插拔加載事件*/14. unsignedintstate_remove_uevent_sent:1。/*熱插拔卸載事件*/15. unsignedintuevent_suppress:1。/*如果設(shè)置了uevent_suppress字段，說(shuō)明不希望產(chǎn)生事件，忽略事件正確返回*/16. }。/*設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)kobject數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于sysfs文件系統(tǒng)中的一個(gè)目錄*/struct kobject { const char *name。/*指向含有容器名稱的字符*/ struct list_head entry。/*用于kobject所插入的鏈表的指針*/ struct kobject *parent。/*指向父kobject*/ struct kset *kset。/*指向包含的kset*/ struct kobj_type *ktype。/*指向kobject的類型的描述符*/ struct sysfs_dirent *sd。/*用同一種 struct sysfs_dirent 來(lái)統(tǒng)一設(shè)備模型中的 kset/kobject/attr/attr_group.*/ struct kref kref。/*容器的引用計(jì)數(shù)器*/ unsigned int state_initialized:1。/*指明kobject是否被初始化*/ unsigned int state_in_sysfs:1。/*指明是否使用了sysfs*/ unsigned int state_add_uevent_sent:1。/*熱插拔加載事件*/ unsigned int state_remove_uevent_sent:1。/*熱插拔卸載事件*/ unsigned int uevent_suppress:1。/*如果設(shè)置了uevent_suppress字段，說(shuō)明不希望產(chǎn)生事件，忽略事件正確返回*/}。2.引用計(jì)數(shù)krefkobject的主要功能之一就是為我們提供了一個(gè)統(tǒng)一的引用計(jì)數(shù)系統(tǒng)，為什么說(shuō)它具有“統(tǒng)一”的能力？那是因?yàn)閗object是“基”對(duì)象，就像大廈的基地，其他對(duì)象（如devic,bus,class,device_driver等容器）都將其包含，以后，其他對(duì)象的引用技術(shù)繼承或封裝kobject的引用技術(shù)就可以了。初始化時(shí)，kobject的引用計(jì)數(shù)設(shè)置為1。只要引用計(jì)數(shù)不為零，那么該對(duì)象就會(huì)繼續(xù)保留在內(nèi)存中，也可以說(shuō)是被“釘住”了。任何包含對(duì)象引用的代碼首先要增加該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)，當(dāng)代碼結(jié)束后則減少它的引用計(jì)數(shù)。增加引用計(jì)數(shù)稱為獲得（getting）對(duì)象的引用，減少引用計(jì)數(shù)稱為釋放(putting)對(duì)象的引用。當(dāng)引用計(jì)數(shù)跌到零時(shí)，對(duì)象便可以被銷毀，同時(shí)相關(guān)內(nèi)存也都被釋放。增加一個(gè)引用計(jì)數(shù)可通過(guò)koject_get（）函數(shù)完成：structkobject*kobject_get(structkobject*kobj)。該函數(shù)正常情況下將返回一個(gè)指向kobject的指針，如果失敗則返回NULL指針；減少引用計(jì)數(shù)通過(guò)kobject_put()完成：voidkobject_put(structkobject*kobj)。如果對(duì)應(yīng)的kobject的引用計(jì)數(shù)減少到零，則與該kobject關(guān)聯(lián)的ktype中的析構(gòu)函數(shù)將被調(diào)用。我們深入到引用計(jì)數(shù)系統(tǒng)的內(nèi)部去看，會(huì)發(fā)現(xiàn)kobject的引用計(jì)數(shù)是通過(guò)kref結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)的，該結(jié)構(gòu)體定義在頭文件linux/中：structkref{atomic_trefcount。}。其中唯一的字段是用來(lái)存放引用計(jì)數(shù)的原子變量。那為什么采用結(jié)構(gòu)體？這是為了便于進(jìn)行類型檢測(cè)。在使用kref前，必須先通過(guò)kref_init()函數(shù)來(lái)初始化它：void kref_init(struct kref *