驱动之设备模型

news2024/11/24 17:18:07

1. 起源与新方案

1.1 起源

仅devfs，导致开发不方便以及一些功能难以支持

  1. 热插拔
  2. 不支持一些针对所有设备的同意操作（如电源管理）
  3. 不能自动mknod
  4. 用户查看不了设备信息
  5. 设备信息硬编码，导致驱动代码通用性差，即没有分离设备和驱动

1.2 新方案

uevent机制：sysfs + uevent + udevd（上层app）

1.2.1 sysfs：一种用内存模拟的文件系统，系统启动时mount到/sys目录

sysfs用途：（类似于Windows的设备管理器）

  1. 建立系统中总线、驱动、设备三者之间的桥梁
  2. 向用户空间展示内核中各种设备的拓扑图
  3. 提供给用户空间对设备获取信息和操作的接口，部分取代ioctl功能
sysfs在内核中的组成要素在用户空间/sys下的显示
内核对象（kobject）目录
对象属性（attribute）文件
对象关系（relationship）链接（Symbolic Link）

四个基本结构

类型所包含的内容内核数据结构对应/sys项
设备(Devices)设备是此模型中最基本的类型，以设备本身的连接按层次组织struct device/sys/devices/?/?/…/
驱动(Drivers)在一个系统中安装多个相同设备，只需要一份驱动程序的支持struct device_driver/sys/bus/pci/drivers/?/
总线(Bus)在整个总线级别对此总线上连接的所有设备进行管理struct bus_type/sys/bus/?/
类别(Classes)这是按照功能进行分类组织的设备层次树；如 USB 接口和 PS/2 接口的鼠标都是输入设备，都会出现在/sys/class/input/下struct class/sys/class/?/

目录组织结构：

/sys下的子目录所包含的内容
/sys/devices这是内核对系统中所有设备的分层次表达模型，也是/sys文件系统管理设备的最重要的目录结构；
/sys/dev这个目录下维护一个按字符设备和块设备的主次号码(major:minor)链接到真实的设备(/sys/devices下)的符号链接文件；
/sys/bus这是内核设备按总线类型分层放置的目录结构， devices 中的所有设备都是连接于某种总线之下，在这里的每一种具体总线之下可以找到每一个具体设备的符号链接，它也是构成 Linux 统一设备模型的一部分；
/sys/class这是按照设备功能分类的设备模型，如系统所有输入设备都会出现在/sys/class/input 之下，而不论它们是以何种总线连接到系统。它也是构成 Linux 统一设备模型的一部分；
/sys/kernel这里是内核所有可调整参数的位置，目前只有 uevent_helper, kexec_loaded, mm, 和新式的slab 分配器等几项较新的设计在使用它，其它内核可调整参数仍然位于sysctl(/proc/sys/kernel) 接口中；
/sys/module这里有系统中所有模块的信息，不论这些模块是以内联(inlined)方式编译到内核映像文件(vmlinuz)中还是编译为外部模块(ko文件)，都可能会出现在/sys/module 中
/sys/power这里是系统中电源选项，这个目录下有几个属性文件可以用于控制整个机器的电源状态，如可以向其中写入控制命令让机器关机、重启等。

1.2.2 uevent

在这里插入图片描述

2.代码中自动mknod

struct class *class_create(struct module *owner, const char *name);
/*
 * 功能：在/sys/class生成一个目录,目录名由name指定
 * 参数：
	struct module *owner - THIS_MODULE
	const char *name - 目录名
 * 返回值  成功：class指针   失败：NULL
*/
/*
辅助接口：可以定义一个struct class 的指针变量cls来接受返回值，然后通过IS_ERR(cls)判断是否失败；
IS_ERR(cls);成功----------------->0
IS_ERR(cls);失败----------------->非0
PTR_ERR(cls);来获得失败的返回错误码；
*/

void class_destroy(struct class *cls)
/*
* 功能：删除class_create生成目录
* 参数：
 	struct class *cls - class指针
* 返回值
*/

struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent,
			     dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)
/*
 * 功能：在/sys/class目录下class_create生成目录再生成一个子目录与该设备相对应，发uevent让应用程序udevd创建设备文件
 * 参数：
 	struct class *class - class指针
 	struct device *parent - 父对象，一般NULL
 	dev_t devt - 设备号
 	void *drvdata - 驱动私有数据，一般NULL
 	const char *fmt - 字符串的格式
 	 ... - 不定参数
 * 返回值
 	成功：device指针
 	失败：NULL
 */

void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)
/*
 * 功能：删除device_create生成目录
 * 参数：
 	struct class *class - class指针
 	dev_t devt - 设备号
 * 返回值
*/

3.代码实践

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/sched.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/atomic.h>

int major = 11;
int minor = 0;
int mychar_num = 1;

struct mysecond_timer_dev
{
	struct cdev mydev;
	int second;
	struct timer_list timer;
	atomic_t openflag;
	struct class *pcls;
	struct device *pdev;
};

struct mysecond_timer_dev gmydev;

void time_func(unsigned long arg);
int mysecond_timer_open(struct inode *pnode,struct file *pfile);
int mysecond_timer_close(struct inode *pnode,struct file *pfile);

ssize_t mysecond_timer_read(struct file *pfile,char __user *puser,size_t size,loff_t *pos);

struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = mysecond_timer_open,
	.release = mysecond_timer_close,
	.read = mysecond_timer_read,
};

int __init mysecond_timer_init(void)
{
	int ret = 0;
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);
	
	ret = register_chrdev_region(devno,mychar_num,"mychar_timer");
	if(ret){
		ret = alloc_chrdev_region(&devno,minor,mychar_num,"mychar_timer");
		if(ret){
			printk("get devno failed\n");
			return -1;
		}
		major = MAJOR(devno);
	}

	cdev_init(&gmydev.mydev,&myops);

	gmydev.mydev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_add(&gmydev.mydev,devno,mychar_num);

	init_timer(&gmydev.timer);

	atomic_set(&gmydev.openflag,1);

	gmydev.pcls = class_create(THIS_MODULE,"mysecond");

	if(IS_ERR(gmydev.pcls)){
		printk("class_create failed\n");
		cdev_del(&gmydev.mydev);
		unregister_chrdev_region(devno,mychar_num);
		return -1;
	}

	gmydev.pdev = device_create(gmydev.pcls,NULL,devno,NULL,"mysec");
	if(NULL == gmydev.pdev){
		printk("device_create failed\n");
		class_destroy(gmydev.pcls);
		cdev_del(&gmydev.mydev);
		unregister_chrdev_region(devno,mychar_num);
		return -1;
	}
	return 0;
}

void __exit mysecond_timer_exit(void)
{
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);
	class_destroy(gmydev.pcls);
	device_destroy(gmydev.pcls,devno);
	cdev_del(&gmydev.mydev);
	unregister_chrdev_region(devno,mychar_num);
}

void time_func(unsigned long arg)
{
	struct mysecond_timer_dev *pmydev = (struct mysecond_timer_dev *)arg;
	pmydev->second++;
	mod_timer(&pmydev->timer,jiffies + HZ * 1);
}

int mysecond_timer_open(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
	struct mysecond_timer_dev *pmydev = NULL;
	pfile->private_data = (void *)container_of(pnode->i_cdev,struct mysecond_timer_dev,mydev);
	pmydev = (struct mysecond_timer_dev *)pfile->private_data;
	if(atomic_dec_and_test(&pmydev->openflag)){
		pmydev->timer.expires = jiffies + HZ * 1;
		pmydev->timer.function = time_func;
		pmydev->timer.data = (unsigned long)pmydev;

		add_timer(&pmydev->timer);

		return 0;
	}else{
		atomic_inc(&pmydev->openflag);
		printk("The device is opened already\n");
		return -1;
	}
}

int mysecond_timer_close(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
	struct mysecond_timer_dev *pmydev = (struct mysecond_timer_dev *)pfile->private_data;
	del_timer(&pmydev->timer);
	atomic_set(&pmydev->openflag,1);
	return 0;
}

ssize_t mysecond_timer_read(struct file *pfile,char __user *puser,size_t size,loff_t *pos)
{
	struct mysecond_timer_dev *pmydev = (struct mysecond_timer_dev *)pfile->private_data;
	int ret = 0;
	if(size < sizeof(int)){
		printk("the expert read size is invalid\n");
		return -1;
	}
	if(size >= sizeof(int)){
		size = sizeof(int);
	}
	ret = copy_to_user(puser,&pmydev->second,size);
	if(ret){
		printk("copy_to_user failed\n");
		return -1;
	}
	return size;
}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(mysecond_timer_init);
module_exit(mysecond_timer_exit);

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