内核设备模型从kobject到子系统

Posted 2020-08-21 余小张

                                     内核设备模型

目的：表示设备和设备在系统中的拓扑关系

优点：1减少内核代码量，2可以统一查看所有设备状态和所连接的总线，3可以联系好设备和其对应的驱动，或者驱动对应的设备。4可以按类型分类，可以沿着叶子节点方向向根节点访问来保证正确关闭设备电源（先关目的节点的所有子节点，再关闭该节点）

 

设备模型的样子：

已经被用数据结构抽象了一遍。用户的角度可以从sys目录鸟瞰内核中的设备模型关系

通常sys下打开的

一级目录是不同的类型的子系统，

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二级目录是在同一类型的目录集合 

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三级目录是唯一的目录

 

内核中的样子 usb设备模型为例子

设备子系统           

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usb集线器

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usb设备

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内核中抽象后的样子   

设备子系统       （ kset x，kset a 。。。） subsystem    

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usb集线器     （kobject b kobject a。。。）kset a

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usb设备 a             kobject a

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设备抽象后所具有的功能：

可以区分设备类型：

    字符设备，访问方式：访问设备节点，不可寻址；

              miscdev简化的设备驱动

    块设备， 访问方式：访问设备节点，可以寻址。（就是支持上次的lseek随机访问的方式）

    网络设备，访问方式：套接字API，而非访问设备节点。

    伪设备，随机数发生器，空设备，零设备，满设备。

    

设备模型有数据结构套路：准备好核心工作者kobject，把相同类型的kobject归到同一个车间kset工作，把不同车间的kset整合出一个子系统。

 

 

 

kobject ,他会是一个很好的设备看管员

    1kobject对象给他所看管的设备保存着引用计数器， 没对这个设备对象引用时， 该对象将结束工作周期。该设备可以从内存中删除。

    2sysfs中显示的目录对应着一个kobject，

    3kobject对象有指定好paren他的上层节点，形成了不同kobject间的层次关系，维持车间kset中的层次列表（parent下面解释和kset的区别）

    4 热插拔kobject子系统产生时间通知用户控件

 

kset 对象：看管员的管理者

    1每个kobject被创建的时候基本都指定好了他们对应的kset，所以分类时自动会找到所属上层所属的kset。说到这里指只是给大家介绍下层次感。

    2 将uevent，ktype的操作汇集到kset

 

subsystem子系统：

    实际是kset和信号量的集合

 

 

打开数据结构，一些疑惑和介绍。

struct kobject {

const char *name;//名字

struct list_head entry;//作为父对象的链表节点

struct kobject *parent;//父对象

struct kset *kset;//属于哪个对象集合  （上层kset内有个自己的kobject）

struct kobj_type *ktype; //对象类型

struct sysfs_dirent *sd;//sysfs文件系统目录

struct kref kref;//引用

unsigned int state_initialized:1;//已经初始化

unsigned int state_in_sysfs:1;//已经加入sysfs文件系统

unsigned int state_add_uevent_sent:1;

unsigned int state_remove_uevent_sent:1;

unsigned int uevent_suppress:1;

};

 

struct kset {  

    struct list_head list;//连接该kset中所有kobject的链表头     

    spinlock_t list_lock;  

    struct kobject kobj; //内嵌的kobject  

    const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;//处理热插拔事件的操作集合  

};  

 

struct kobj_type {

void (*release)(struct kobject *kobj);//释放kobject和其他占用资源的函数

const struct sysfs_ops *sysfs_ops;//操作属性的方法

struct attribute **default_attrs;//属性数组

const struct kobj_ns_type_operations *(*child_ns_type)(struct kobject *kobj);

const void *(*namespace)(struct kobject *kobj);

};

 

1*kset;  *ktype;既然说kset是相同类型的kobject的集合，为什么会说，ktype相同的kobject可能出现在不同的kset中？

     kobject在创建后就指定好了自己所属于的kset，这些找到了kset的kobject的对象会把自身的kobj_type类型成员 ktype替换成目标kset的对象类型。kset的用自己的属性把所有来认自己的kobject都给刷了一遍，导致我们常说kset下是包含相同类型的看object的集合。

     两个ktype不同的kobject，的确可以存在不同的kset中。只要他们不是指定同一个kset就可以了。

     由于是kset的优先级高，导致了分类时，就按kobject对应的kobject来分的，如果创建好的kobject没有指定kset那就会用ktype看来指定。

 

 

2 都说kset和parent都是支持设备模型上下层次结构用的。两者有什么关系？

kset是ktype类型相同的处理对象聚集和集合。底层kobject中的kset指向上层的对应的kset，

 parent是用来在sysfs分层中定位kobject对象的，parent指向了上层中的kobject，表示上一层节点。  

联系:

      a.默认kset是其下的kobject的parent。

    在kobject加入到kset集合的链表前， 会检查下这个kobject是否有parent存在，如果不存在，那就不能在sysfs中找到这个kobject了，所以会让这个kobject的parent直接指向指定的kset层的kobject

parent = kobject_get(&kobj->kset->kobj);

 

      b.kobject（也包括kset）的kset可能为空 比如/sys/bus/platform下的drivers kset和devices kset，虽然在用户空间看来platform作为kset包含了driver和device，实际不是。

kobject（也包括kset）的parent可能为空（树形结构顶级节点）

kobjectd 的parent不一定是包含他的kset

  

3 kobject相关介绍

kobject

kobject用于控制大型域对象的访问，通常是被别的struct包含了。

工作1：用来获取结构体入口，

字符设备cdev中有kobject成员， 

经常看到 使用container_of(kp,strcut cdev, kobj);  宏定义来找cdev这个结构体的起始地址。

有个公式：绝对地址-相对与结构体起点的地址，得到结构体的起始地址。

 #define container_of(ptr, type, member) ({            \

           const typeof(((type *)0)->member) * __mptr = (ptr);    \    ptr是内存中指向member成员hlist_head绝对地址

            (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); })      hlist_head 链表的节点， 减掉已经得到的节点位置，往前挪offsetof个位置就得到了

 

工作2：创建kobject，保管好引用计数器。

a.kobject初始化就是用menmset 先整个把kobject中的引用计数kref设置为0，再用kobject_init()把引用计数设置为1，

b.把kobject_set_name（）设置好名字好在sysfs目录显示

c.增加对kobject引用/减引用要注意返回值，kobject_get() kobject_put()

创建kobject_add()+ kobject_init() =kobject_register

删除 kobject_del  + kobject_put = kobject_unregister

    创建对cdev的引用 还是最终要调用对模块owner中kobject 的引用。失败则要释放引用计数module_put(owner)

d 发没引为0的通知。kobject的kref为0时没人知道kobject过得怎么样了，所以要变0前先异步通知大家， 用contariner获得包含kobject的类对象，接着kfree（对象）   有引用时，不能释放，因为不安全， 引用没释放完也不能释放。

 

 

  4kset和ktype相关介绍  

    a.kset管理者一个链表要加入kobject成员， 先初始化kobject中的kset指向上层目标kset

    b.管理kset的引用计数 kset_get() kset_put 增加和减少kset自带的kobject的引用计数，管理引用的原理基本和kobject一致

    c.kset有名字，另外kset的ktype成员是实际上被使用的成员,也就是之前说的kset的类型覆盖底层的类型的那个ktype

d.析构相关的函数

ktype是真正的看管员，设备后来怎么样了，要怎么处理都是ktype在照看的，把对设备共同的操作从kobject中分离出来了。

release： 定好了kobject的ktype也就是定好了release函数指针

sysfs_ops：{（*show）(*kobj，*attr，*buffer） （*store）(*kobj，*attr，*buffer，size）}两个操作函数用户读属性，

 

调用show把指定值编码后放到缓冲区，实际长度作为返回值返回。或者所有kobject属性使用同一个show

store把保存在缓冲区中的数据解码，并返回实际解码的字节数，属性有写权限才能调用store注意取数据前验合法输入

 attribute **default_attrs 最后一个元素必须用零填充。说明有什么属性。这个kobj_type 中的sysfs_ops提供方法实现attribute中的属性

这个attribute有*name属性名在sysfs中的名字，

module *owner指向模块的指针 

mode属性保护位 S_IRUGO只读 S_IWUSR只给root写  

修改属性，填一个attr 传给sysfs增删目录文件函数 sysfs_create_remove_file

sysfs属性传固件代码给内核，bin_attribute 里面有attribute  size （*read） （*write）一次可以读写1页

 

 

5子系统相关介绍

内核提供了sysf子树上实际是已经被注册上去的各种kobject，和kobject集合的关系，上层通常是已经注册好的subsystem

sysfs下的子系统：

 块设备子系统：对应sys/block，里面每个目录都对应一个已经注册的块设备

设备分层结构核心 ：对应sys/devices 系统中实际的设备拓扑。很重要哦，其他很多目录都是抄了他里面的层次

总线子系统：对应sys/bus 系统总线视图

设备节点子系统：对应sys/dev 已经注册的设备节点视图

固件子系统：对应sys/firmware 包含底层子系统的特殊树

文件子系统：对应sys/fs 已经注册的文件系统视图

内核子系统：对应sys/kernel 内核配置项和状态信息

模块子系统：对应sys/module 已加载模块的信息

电源子系统：对应sys/power 系统范围的电源管理数据

总线有两个ket，一个是总线的设备驱动集合， 一个是插在总线上的所有设备

 

设备和驱动程序的关系用新的指针，符号链接

int sysfs_create_link(struct kobject *kobj,struct  kobject *target,char *name); 设置kobject和sysfs入口target的相对连接，

int sysfs_remove_link(struct kobject *kobj,char *name); 删除符号链接

子系统是对ket和信号的封装，每个keset必须属于一个子系统，rwsem信号量用于串行访问kset内部链表

sysfs和kobect关系就是用来kobect_add 那sysfs中就会有新的目录，目录名就是kobect的唯一名称，kobect的parent就是对应在sysfs中的入口位置，为NULL时在sysfs的最高层目录

 

6热插拔相关介绍：

     热插拔事件，是内核空间发到用户空间的通知是系统配置变化了，插拔usb 用户控制台切换，磁盘分区都会有这事要报，

kobject_add 或kobkect_del调用后才真正产生这事件

      kset中的hotplug_ops 中有指向struct kset_hotplug_ops结构体的指针，kset中没指定的kobject就要用parent指针找到一个包含kset的kobject，再使用这个kset的热插拔操作

    内核要为指定的kobject产生事件都要调用fliter函数0不产生事件，让kset确定是否要发特定事件给用户控件 get_ktype知道事件类型

调用热插拔时相关子系统名*name作为唯一参数传递给它  

热插拔的信息通过环境变量传递，提供添加环境变量的方法使用hotplug。

 

7类：

     设备模型的类，是抽象底层的实现细节，  值关注提供的功能，基本上是在sys/class 目录下

      类关心设备功能 总线跟踪设备，用户用设备的功能，设备用sysfs和用户空间通信