Linux驱动——设备模型

news2024/11/15 17:57:52

目录

一、起源

二、新方案

2.1 sysfs:

2.2 uevent

三、代码中自动mknod

四、实例

一、起源

仅devfs，导致开发不方便以及一些功能难以支持：（硬编）

    1. 热插拔（插上usb设备就立马能安装驱动）

    2. 不支持一些针对所有设备的统一操作（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

内核2.6开始引入总线式开发解决这些问题。3.0开始引入设备树。

二、新方案

device+driver结合形成驱动，device内只有设备信息，driver内是一些操作。

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

uevent是一种通信机制用来解决热插拔的问题。上层还有一个比udevd差一点的mdevd。

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/?/           |

 最核心的只有这四个，剩下的都是针对某一块，比如block是块设备，fs是文件系统，module是模块。。。。。

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。 |


2.2 uevent

 

新方案中bus既提供通信方式，也是device和driver的管理者。

三、代码中自动mknod

```c

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；

*/

```
```c

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

*/

```
```c

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

 */

```


 



```c

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

*/

```

四、实例

在之前的秒设备上添加自动mknod

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/device.h>
int major = 11;
int minor = 0;
int mysecond_num = 1;

struct mysecond_dev
{
	struct cdev mydev;
	int second;
	struct timer_list mytimer;
	/*Define atomic variables || 1 can open, 0 can not open*/
	atomic_t openflag;
	/*automatic create mknod*/
	struct class *pcls;
	struct device *pdev;
};

struct mysecond_dev gmydev;

void timer_func(unsigned long arg)
{
	struct mysecond_dev *pmydev = (struct mysecond_dev *)arg;

	pmydev->second++;

	mod_timer(&pmydev->mytimer, jiffies + HZ * 1);
}

int mysecond_open(struct inode *pnode, struct file *pfile)
{
	struct mysecond_dev *pmydev = NULL;
	pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev, struct mysecond_dev, mydev));
	
	pmydev = (struct mysecond_dev *)pfile->private_data;
	if(atomic_dec_and_test(&pmydev->openflag))
	{
		pmydev->mytimer.expires = jiffies + HZ * 1;
		pmydev->mytimer.function = timer_func;
		pmydev->mytimer.data = (unsigned long)pmydev;
		add_timer(&pmydev->mytimer);
		return 0;
	}
	else
	{
		atomic_inc(&pmydev->openflag);
		printk("The device is opened already\n");
		return -1;
	}
	return 0;
}
int mysecond_close(struct inode *pnode, struct file *pfile)
{
	//printk("mysecond_close\n");
	/*C90 requires printk after the variable declaration*/
	struct mysecond_dev *pmydev = (struct mysecond_dev *)pfile->private_data;
	del_timer(&pmydev->mytimer);
	atomic_set(&pmydev->openflag,1);
	return 0;
}

ssize_t mysecond_read(struct file *pfile, char __user *puser, size_t size, loff_t *p_pos)
{
	struct mysecond_dev *pmydev = (struct mysecond_dev *)pfile->private_data;
	int ret = 0;
	if(size < sizeof(int))
	{
		printk("the expect 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;
}

struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = mysecond_open,
	.release = mysecond_close,
	.read = mysecond_read,
};


int __init mysecond_init(void)
{
	int ret = 0;
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);

	/*Apply for device number*/
	ret = register_chrdev_region(devno, mysecond_num, "mysecond");
	if(ret)
	{
		ret = alloc_chrdev_region(&devno, minor, mysecond_num, "mysecond");
		if(ret)
		{
			printk("get devno failed\n");
			return -1;
		}
		major = MAJOR(devno);//Easy to miss *****
	}
	/*Assign the 'struct cdev' a set of operation functions*/
	cdev_init(&gmydev.mydev, &myops);
	/*Add 'struct cdev' to the kernel's data structure*/
	gmydev.mydev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_add(&gmydev.mydev, devno, mysecond_num);//add to Hash.
	
	init_timer(&gmydev.mytimer);
	/*initialize the atomic variable to 1*/
	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,mysecond_num);
		return -1;	
	}

	gmydev.pdev = device_create(gmydev.pcls,NULL,devno,NULL,"mysec");
	if(NULL == gmydev.pcls)
	{
		printk("device_create failed\n");
		class_destroy(gmydev.pcls);
		cdev_del(&gmydev.mydev);
		unregister_chrdev_region(devno,mysecond_num);
		return -1;	
	}
	return 0;
}
void __exit mysecond_exit(void)
{
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);
	device_destroy(gmydev.pdev,devno);
	class_destroy(gmydev.pcls);
	cdev_del(&gmydev.mydev);
	//printk("mysecond will exit\n");
	unregister_chrdev_region(devno, mysecond_num);
}
MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(mysecond_init);
module_exit(mysecond_exit);

 

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