内核版本发展

2.4版本之前内核没有统一的设备驱动模型，但是可以用（例如先前的led字符设备驱动实验，使用前需要手动调用mknod命令创建设备文件，从而进一步控制硬件）。

2.4~2.6版本内核使用devfs，挂载在/dev目录。需要在内核驱动中创建设备文件（调用devfs_register创建设备文件，无需手动mknod命令，需传入设备文件名），命名过于死板（编译后驱动对应的设备文件名固定，无法动态修改）。

2.6版本之后内核统一使用sysfs，挂载在/sys目录。将设备分类、分层次统一进行管理，配合udev/mdev守护进程（开启自启，后台运行，一直监听内核驱动发出的消息）动态创建设备文件，命令规则自由制定。

sysfs虚拟文件系统在linux系统中体现出设备驱动模型，类似于proc文件系统，总是被挂载在/sys/挂载点上。目录对应的inode节点会记录基本驱动对象（kobject），从而将系统中的设备组成层次结构。用户可以读写目录下的不同文件来配置基本驱动对象（kobject）的不同属性。

设备驱动模型基本元素

kobject：sysfs的一个目录，常用来表示基本驱动对象，不允许发送消息到用户空间。

kset：sysfs的一个目录，常用来管理kobject，允许发送消息到用户空间。

kobj_type：目录下属性文件的操作接口。

kobject既可以通过parent指针找到上层kobject，也可以通过kset指针找到上层kobject。但上层kobject对象无法遍历到下层，所以较少使用。

kobject结构体

sysfs中每一个目录都对应一个kobject，kobject结构体存放在内核/include/linux/kobject.h。

struct kobject {
        const char              *name;        //kobject的名称，同时也是sysfs下的目录名字
        struct list_head        entry;        //链表节点，用于将kobject加入到kset的list_head
        struct kobject          *parent;    //该kobject的上层节点，构建kobject间的层次关系（在sysfs体现为目录结构）
        struct kset             *kset;        //该kobject所属的kset对象（可以为NULL），用于批量管理kobject对象
        struct kobj_type        *ktype;        //该kobject的sysfs文件系统相关的操作和属性
        struct kernfs_node      *sd;         //该kobject在sysfs文件系统中对应目录项
        struct kref             kref;        //该kobject的引用次数
#ifdef CONFIG_DEBUG_KOBJECT_RELEASE
        struct delayed_work     release;
#endif
        unsigned int state_initialized:1;            //记录内核对象的初始化状态
        unsigned int state_in_sysfs:1;                //表示该kobject所代表的内核对象是否在sysfs建立目录
        unsigned int state_add_uevent_sent:1;        //记录是否已经向用户空间发送ADD uevent事件
        unsigned int state_remove_uevent_sent:1;    //记录是否已经向用户空间发送REMOVE uevent事件
        unsigned int uevent_suppress:1;                //如果为1，则忽略所有上报的uevent事件
};

由于kobject添加到内核时，需要根据名字注册到sysfs虚拟文件系统中，之后就不能再直接修改该名字。如果想改，需要调用kobject_rename接口，该接口会主动处理sysfs的相关事宜。
kset如果没有指定的parent，则会把kset作为parent（kset是一个特殊的kobject）。

uevent提供了“用空空间通知”的功能实现，当内核中有kobject的增删改等操作时，会通知用户空间。

kset结构体

kset结构体存放在内核/include/linux/kobject.h。

struct kset {
        struct list_head list;                        //指向该kset下所有的kobject组成的链表
        spinlock_t list_lock;                         //避免操作链表时产生竞态的自旋锁
        struct kobject kobj;                          //该kset自己的kobject（kset是一个特殊的kobject，也会在sysfs中以目录的形式体现）
        const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;    
} __randomize_layout;

uevent_ops为该kset的uevent操作函数集（函数指针）。当kset的某些kobject对象发生状态变化需要通知用户空间时，调用其中对应的函数来完成。
当任一kobject需要上报uevent时，都要调用它所属的kset的uevent_ops，添加环境变量，或者过滤uevent（kset可以决定哪些uevent可以上报）。
因此一个kobject不属于任一kset时，是不允许发生uevent的。

kobj_type结构体

kobj_type结构体存放在内核/include/linux/kobject.h。

struct kobj_type {
        /* 销毁kobject对象时调用 */
        void (*release)(struct kobject *kobj);
        
        /* 该类型的kobject的sysfs虚拟文件系统操作接口（读属性接口show和写属性接口store） */
        const struct sysfs_ops *sysfs_ops;
        
        /* 该类型的kobject的attribute表（sysfs的一个文件）。将会在kobject添加到内核时，一并注册到sysfs中 */
        struct attribute **default_attrs;
        
        const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);
        const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);
        void (*get_ownership)(struct kobject *kobj, kuid_t *uid, kgid_t *gid);
};

kobject：驱动的基石

kobject主要功能

• 通过parent指针，可以将所有kobject以层次结构的形式组合起来。
• 使用一个引用计数，来记录kobject被引用的次数，并在引用计数为0时释放kobject对象（这是kobject诞生时的唯一功能）。
• 和sysfs虚拟文件系统配合，将每一个kobject及其特性以文件形式显示到用户空间。
• 在Linux中，kobject几乎不会单独存在。它的主要功能就是内嵌在一个大型的数据结构中，为这个数据结构提供一些底层的功能实现。
• Linux驱动开发者很少会直接使用kobject以及它提供的接口，而是使用构建在kobject之上的设备模型接口。

整个kobject机制的理解

kobject的核心功能是：保持一个引用计数，当该引用计数减为0时，自动释放kobject所占的内存空间（这决定了kobject必须是动态分配）。

kobject的常见使用场景：内嵌在大型的数据结构中（如kset、device_driver等），因此这些大型的数据结构也必须是动态分配、动态释放。ktype的release回调函数负责释放kobject（甚至是包含kobject的数据结构）的内存空间。

kobject使用流程

kobject大多数情况下（有一例外）会嵌在其它数据结构中使用，使用流程如下：

1. 定义一个struct kset类型的指针，并在初始化时为它分配空间，添加到内核中。
2. 根据实际情况，定义内嵌有kobject的自己所需的数据结构原型。
3. 定义一个适合自己的ktype，并实现其中回调函数release。
4. 在需要使用到包含kobject的数据结构时，动态分配该数据结构，并分配kobject空间，添加到内核中。
5. 每一次引用数据结构时，调用kobject_get接口增加引用计数；引用结束时，调用kobject_put接口，减少引用次数。
6. 当引用计数为0时，kobject模块会自动调用ktype所提供的release接口，释放上层数据结构以及kobject的内存空间。

例外：

　　开发者只需在sysfs中创建一个目录，而不需要其它的kset、ktype的操作。这是可以直接调用kobject_create_and_add接口，分配一个kobject结构并把它添加到内核中。

kobject_create_and_add()函数

存放在内核/lib/kobject.c 

/**
 * kobject_create_and_add - 动态创建一个struct kobject并将其注册到sysfs
 *
 * @name: 对象的名称
 * @parent: 这个kobject的父kobject(如果有的话)。
 *
 * 这个函数动态地创建一个kobject结构并将其注册到sysfs。当您完成此结构时，调用kobject_put()，当不再使用该结构时，该结构将被动态释放。
 *
 * 如果无法创建kobject，则返回NULL。
 */
struct kobject *kobject_create_and_add(const char *name, struct kobject *parent)
{
        struct kobject *kobj;
        int retval;

        kobj = kobject_create();    //创建并初始化一个kobject对象        
        if (!kobj)
                return NULL;

        retval = kobject_add(kobj, parent, "%s", name);    //sysfs创建一个目录项并与kobject对象关联
        if (retval) {
                pr_warn("%s: kobject_add error: %d\n", __func__, retval);
                kobject_put(kobj);
                kobj = NULL;
        }
        return kobj;
}

kobject_create_and_add()函数是kobject_create函数和kobject_add函数的组合。整体功能是创建一个名字为“name”的kobject对象，并将其添加到指定的父kobject对象下。

 

 

kobj_type：用户空间的法宝

sysfs_create_group()函数

存放在内核/fs/sysfs/group.c文件中。

在kobject中，分析到 kobject_create() → kobject_init(kobj, &dymic_kobj_ktype) → dymic_kobj_ktype.sysfs_ops = &kobj_sysfs_ops。

kobj_sysfs_ops中存放着统一的操作接口show和store。调用统一的操作接口时，会在内部进一步调用具体的操作接口。

kernfs_init_inode()函数

存放在内核/fs/kernfs/inode.c文件中。

设备驱动模型实验1-kobject点灯

实验思路：内核模块+LED驱动+kobject+kobj_attribute

内核模块：动态加载

LED驱动：控制硬件LED

kobject：在/sys创建目录项

kobj_attribute：为kobject对象的属性文件提供独有的读写接口

kobject_led.c文件 

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/kobject.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/sysfs.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

/* GPIO虚拟地址映射 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO04;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO04;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;
static void __iomem *GPIO1_DR;

static int foo;
static ssize_t foo_show(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, char *buf)
{
        /* buf 将会被自动拷贝到用户空间 */
        return sprintf(buf, "%d\n", foo);
}

static ssize_t foo_store(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, const char *buf, size_t count)
{
        /* buf内容来自用户空间，由内核自动完成了。kstrtoint 是将子串buf以十进制的格式输出到foo */
        int ret = kstrtoint(buf, 10, &foo);
        if(ret < 0)     return ret;
        return count;
}

static ssize_t led_show(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, char *buf)
{
        int var;

        if(strcmp(attr->attr.name, "led") == 0)
                var = 123;

        return sprintf(buf, "%d\n", var);
}

static ssize_t led_store(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, const char *buf, size_t count)
{
        if(strcmp(attr->attr.name, "led") == 0){
                if(!memcmp(buf, "on", 2)){
                        iowrite32(0<<4, GPIO1_DR);
                }else if(!memcmp(buf, "off", 3)){
                        iowrite32(1<<4, GPIO1_DR);
                }
        }

        return count;
}

/* __ATTR 定义在 include/linux/sysfs.h。foo 对应属性文件名。
 * show成员 和 store成员 最终分别会被 kobject->ktype 下的 kobj_sys_ops 下的 kobj_attr_show 和 kobj_attr_store 调用。
 */
static struct kobj_attribute foo_attribute = __ATTR(foo, 0664, foo_show, foo_store);
static struct kobj_attribute led_attribute = __ATTR(led, 0664, led_show, led_store);

static struct attribute *attrs[] = {
        &foo_attribute.attr,
        &led_attribute.attr,
        NULL, /* need to NULL terminate the list of attributes */
};

static struct attribute_group attr_group = {
        .attrs = attrs,
};

static struct kobject *led_kobj;
static int __init led_init(void){
        int retval;

        /* GPIO相关寄存器操作 */
        IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(0x20c406c, 4);
        SW_MUX_GPIO1_IO04 = ioremap(0x20e006c, 4);
        SW_PAD_GPIO1_IO04 = ioremap(0x20e02f8, 4);
        GPIO1_GDIR = ioremap(0x0209c004, 4);
        GPIO1_DR = ioremap(0x0209c000, 4);

        /* 使能GPIO1时钟 */
        iowrite32(0xffffffff, IMX6U_CCM_CCGR1);

        /* 设置GPIO1_IO04复用为普通GPIO */
        iowrite32(5, SW_MUX_GPIO1_IO04);

        /* 设置GPIO属性 */
        iowrite32(0x10b0, SW_PAD_GPIO1_IO04);

        /* 设置GPIO1_IO04为输出功能 */
        iowrite32(1<<4, GPIO1_GDIR);

        /* LED输出高电平 */
        iowrite32(1<<4, GPIO1_DR);

        /* 创建一个kobject对象，上一层节点设置为 NULL，此kobject对象在 sysfs 下的根目录。
         * 此函数执行完会在 /sys 目录下生成一个名为"led_kobject"的目录。
         */
        led_kobj = kobject_create_and_add("led_kobject", NULL);
        if(!led_kobj)   return -ENOMEM;

        /* 为kobject设置属性文件，并且将属性文件和操作接口绑定起来 */
        retval = sysfs_create_group(led_kobj, &attr_group);
        if(retval)
                kobject_put(led_kobj);

        return 0;
}

static void __exit led_exit(void){
        /* 取消映射 */
        iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
        iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO04);
        iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO04);
        iounmap(GPIO1_GDIR);
        iounmap(GPIO1_DR);

        /* 注销字符设备驱动 */
        kobject_put(led_kobj);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("couvrir");
MODULE_DESCRIPTION("led module");
MODULE_ALIAS("led module");

Makefile文件

照旧。

执行过程

虚拟机：执行make和make copy。生成.ko文件。

开发板（在挂载目录下执行）：

sudo insmod kobject_led.ko

查看/sys/文件夹，存在led_kobject的目录项。 

查看/sys/led_kobject的属性文件。

然后就是echo和cat命令的使用。

sudo rmmod kobject_led