linux裝置模型詳解

Linux 2.6核心的一個重要特色是提供了統一的核心裝置模型。隨著技術的不斷進步，系統的拓撲結構越來越複雜，對智能電源管理、熱插拔以及plug and play的支援要求也越來越高，2.4核心已經難以滿足這些需求。為適應這種形勢的需要，2.6核心開發了全新的裝置模型。
１． Sysfs檔案系統
Sysfs檔案系統是一個類似於proc檔案系統的特殊檔案系統，用於將系統中的裝置群組織成階層，並向使用者模式程式提供詳細的核心資料結構資訊。其頂層目錄主要有：
Block目錄：包含所有的塊裝置
Devices目錄：包含系統所有的裝置，並根據裝置掛接的匯流排類型組織成階層
Bus目錄：包含系統中所有的匯流排類型
Drivers目錄：包括核心中所有登入的裝置驅動程式
Class目錄：系統中的裝置類型（如網卡裝置，音效卡裝置等）
２． 核心對象機制關鍵資料結構
2.1 kobject核心對象
Kobject 是Linux 2.6引入的新的裝置管理機制，在核心中由struct kobject表示。通過這個資料結構使所有裝置在底層都具有統一的介面，kobject提供基本的對象管理，是構成Linux 2.6裝置模型的核心結構，它與sysfs檔案系統緊密關聯，每個在核心中註冊的kobject對象都對應於sysfs檔案系統中的一個目錄。
Kobject結構定義為：
struct kobject {
char * k_name;    指向裝置名稱的指標
char name[KOBJ_NAME_LEN];   裝置名稱
struct kref kref;    對象引用計數
struct list_head entry;   掛接到所在kset中去的單元
struct kobject * parent; 指向父物件的指標
struct kset * kset;    所屬kset的指標
struct kobj_type * ktype;   指向其物件類型描述符的指標
struct dentry * dentry; sysfs檔案系統中與該對象對應的檔案節點路徑指標
};
其中的kref域表示該對象引用的計數，核心通過kref實現對象引用計數管理，核心提供兩個函數kobject_get()、kobject_put()分別用於增加和減少引用計數，當引用計數為0時，所有該對象使用的資源將被釋放。
Ktype 域是一個指向kobj_type結構的指標，表示該對象的類型。Kobj_type資料結構包含三個域：一個release方法用於釋放kobject占 用的資源；一個sysfs_ops指標指向sysfs動作表和一個sysfs檔案系統預設屬性列表。Sysfs動作表包括兩個函數store()和 show()。當使用者態讀取屬性時，show()函數被調用，該函數編碼指定屬性值存入buffer中返回給使用者態；而store()函數用於儲存使用者態 傳入的屬性值。
2.2　kset核心對象集合
Kobject通常通過kset組織成層次化的結構，kset是具有相同類型的kobject的集合，在核心中用kset資料結構表示，定義為：
struct kset {
struct subsystem * subsys;   所在的subsystem的指標
struct kobj_type * ktype;   指向該kset物件類型描述符的指標
struct list_head list;      用於串連該kset中所有kobject的鏈表頭
struct kobject kobj;     嵌入的kobject
struct kset_hotplug_ops * hotplug_ops; 指向熱插拔動作表的指標
};
包 含在kset中的所有kobject被組織成一個雙向迴圈鏈表，list域正是該鏈表的頭。Ktype域指向一個kobj_type結構，被該 kset中的所有kobject共用，表示這些對象的類型。Kset資料結構還內嵌了一個kobject對象（由kobj域表示），所有屬於這個kset 的kobject對象的parent域均指向這個內嵌的對象。此外，kset還依賴於kobj維護引用計數：kset的引用計數實際上就是內嵌的 kobject對象的引用計數。
2.3 subsystem核心對象子系統
Subsystem是一系列kset的集合，描述系統中某一 類裝置子系統，如block_subsys表示所有的塊裝置，對應於sysfs檔案系統中的block目錄。類似的，devices_subsys對應於 sysfs中的devices目錄，描述系統中所有的裝置。Subsystem由struct subsystem資料結構描述，定義為：
struct subsystem {
struct kset kset;       內嵌的kset對象
struct rw_semaphore rwsem; 互斥訪問訊號量
};
每 個kset必須屬於某個subsystem，通過設定kset結構中的subsys域指向指定的subsystem可以將一個kset加入到該 subsystem。所有掛接到同一subsystem的kset共用同一個rwsem訊號量，用於同步訪問kset中的鏈表。

 

３． 核心對象機制主要相關函數
針對核心對象不同層次的資料結構，linux 2.6核心定義了一系列操作函數，定義於lib/kobject.c檔案中。
3.1　kobject相關函數
void kobject_init(struct kobject * kobj)；
kobject初始化函數。設定kobject引用計數為１，entry域指向自身，其所屬kset引用計數加１。
int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *format, ...)；
設定指定kobject的名稱。
void kobject_cleanup(struct kobject * kobj)和void kobject_release(struct kref *kref)；
kobject清除函數。當其引用計數為０時，釋放對象佔用的資源。
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj)；
將kobj 對象的引用計數加1，同時返回該對象的指標。
void kobject_put(struct kobject * kobj)；
將kobj對象的引用計數減1，如果引用計數降為0，則調用kobject_release()釋放該kobject對象。
int kobject_add(struct kobject * kobj)；
將kobj對象加入Linux裝置層次。掛接該kobject對象到kset的list鏈中，增加父目錄各級kobject的引用計數，在其parent指向的目錄下建立檔案節點，並啟動該類型核心對象的hotplug函數。
int kobject_register(struct kobject * kobj)；
kobject註冊函數。通過調用kobject_init()初始化kobj，再調用kobject_add()完成該核心對象的註冊。
void kobject_del(struct kobject * kobj)；
從Linux裝置層次(hierarchy)中刪除kobj對象。
void kobject_unregister(struct kobject * kobj)；
kobject登出函數。與kobject_register()相反，它首先調用kobject_del從裝置層次中刪除該對象，再調用kobject_put()減少該對象的引用計數，如果引用計數降為0，則釋放該kobject對象。
3.2 kset相關函數
與kobject 相似，kset_init()完成指定kset的初始化，kset_get()和kset_put()分別增加和減少kset對象的引用計數。 Kset_add()和kset_del()函數分別實現將指定keset對象加入裝置層次和從其中刪除；kset_register()函數完成 kset的註冊而kset_unregister()函數則完成kset的登出。
3.3 subsystem相關函數
subsystem有一組完成類似的函數，分別是：
void subsystem_init(struct subsystem *subsys);
int subsystem_register(struct subsystem *subsys);
void subsystem_unregister(struct subsystem *subsys);
struct subsystem *subsys_get(struct subsystem *subsys)
void subsys_put(struct subsystem *subsys);
４． 裝置模型組件
在上述核心對象機制的基礎上，Linux的裝置模型建立在幾個關鍵組件的基礎上，下面我們詳細闡述這些組件。
4.1 devices
系統中的任一裝置在裝置模型中都由一個device對象描述，其對應的資料結構struct device定義為：
struct device {
struct list_head g_list;
struct list_head node;
    struct list_head bus_list;
    struct list_head driver_list;
    struct list_head children;
    struct device *parent;
    struct kobject kobj;
    char bus_id[BUS_ID_SIZE];
    struct bus_type *bus;
    struct device_driver *driver;
    void *driver_data;
    /* Several fields omitted */
};
g_list 將該device對象掛接到全域裝置鏈表中，所有的device對象都包含在devices_subsys中，並組織成階層。Node域將該對象掛接 到其兄弟對象的鏈表中，而bus_list則用於將串連到相同匯流排上的裝置群組織成鏈表，driver_list則將同一驅動程式管理的所有裝置群組織為鏈 表。此外，children域指向該device對象子物件鏈表頭，parent域則指向父物件。Device對象還內嵌一個kobject對象，用於引 用計數管理並通過它實現裝置階層。Driver域指向管理該裝置的驅動程式對象，而driver_data則是提供給驅動程式的資料。Bus域描述設 備所串連的匯流排類型。
核心提供了相應的函數用於操作device對象。其中Device_register()函數將一個新的device對象插 入裝置模型，並自動在/sys/devices下建立一個對應的目錄。Device_unregister()完成相反的操作，登出裝置對象。 Get_device()和put_device()分別增加與減少裝置對象的引用計數。通常device結構不單獨使用，而是包含在更大的結構中作為一 個子結構使用，比如描述PCI裝置的struct pci_dev，其中的dev域就是一個device對象。
4.2 drivers
系統中的每個驅動程式由一個device_driver對象描述，對應的資料結構定義為：
struct device_driver {
    char *name;   裝置驅動程式的名稱
    struct bus_type *bus; 該驅動所管理的裝置掛接的匯流排類型
    struct kobject kobj;    內嵌kobject對象
    struct list_head devices;   該驅動所管理的裝置鏈表頭
    int (*probe)(struct device *dev); 指向裝置探測函數，用於探測裝置是否可以被該驅動程式管理
int (*remove)(struct device *dev); 用於刪除裝置的函數
/* some fields omitted*/
}；
與device 結構類似，device_driver對象依靠內嵌的kobject對象實現引用計數管理和階層組織。核心提供類似的函數用於操作 device_driver對象，如get_driver()增加引用計數，driver_register()用於向裝置模型插入新的driver對 象，同時在sysfs檔案系統中建立對應的目錄。Device_driver()結構還包括幾個函數，用於處理熱拔插、隨插即用和電源管理事件。
4.3   buses
系統中匯流排由struct bus_type描述，定義為：
struct bus_type {
char   * name; 匯流排類型的名稱
struct subsystem subsys; 與該匯流排相關的subsystem
struct kset drivers; 所有與該匯流排相關的驅動程式集合
struct kset devices; 所有掛接在該匯流排上的裝置集合
struct bus_attribute * bus_attrs; 匯流排屬性
struct device_attribute * dev_attrs; 裝置屬性
struct driver_attribute * drv_attrs;   驅動程式屬性
int (*match)(struct device * dev, struct device_driver * drv);
int (*hotplug) (struct device *dev, char **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size);
int (*suspend)(struct device * dev, u32 state);
int (*resume)(struct device * dev);
}；
每 個bus_type對象都內嵌一個subsystem對象，bus_subsys對象管理系統中所有匯流排類型的subsystem對象。每個 bus_type對象都對應/sys/bus目錄下的一個子目錄，如PCI匯流排類型對應於/sys/bus/pci。在每個這樣的目錄下都存在兩個子目 錄：devices和drivers（分別對應於bus_type結構中的devices和drivers域）。其中devices子目錄描述串連在該總 線上的所有裝置，而drivers目錄則描述與該匯流排關聯的所有驅動程式。與device_driver對象類似，bus_type結構還包含幾個函數 （match()、hotplug()等）處理相應的熱插拔、即插即拔和電源管理事件。
4.4 classes
系統中的裝置類由 struct class描述，表示某一類裝置。所有的class對象都屬於class_subsys子系統，對應於sysfs檔案系統中的/sys/class目錄。 每個class對象包括一個class_device鏈表，每個class_device對象表示一個邏輯裝置，並通過struct class_device中的dev域（一個指向struct device的指標）關聯一個物理裝置。這樣，一個邏輯裝置總是對應於一個物理裝置，但是一個物理裝置卻可能對應於多個邏輯裝置。此外，class結構中 還包括用於處理熱插拔、即插即拔和電源管理事件的函數，這與device對象和driver對象相似。

 

 

device model

device model主要的資料結構有三個： kobject, kset 和 subsystem.

 

相關資料結構：

struct kobject {
 char   * k_name;
 char   name[KOBJ_NAME_LEN];
 struct kref  kref;
 struct list_head entry;
 struct kobject  * parent;
 struct kset  * kset;
 struct kobj_type * ktype;
 struct dentry  * dentry;
};

struct kset {
 struct subsystem * subsys;
 struct kobj_type * ktype;
 struct list_head list;
 spinlock_t  list_lock;
 struct kobject  kobj;
 struct kset_hotplug_ops * hotplug_ops;
};
 
struct subsystem {
 struct kset  kset;
 struct rw_semaphore rwsem;
};

他們是整個device model的骨架（用物件導向的口氣說：這叫基類（不是雞肋^_`））。

其他所有的結構，比如cdev，bus等等，都是在這些骨架上搭建起來的。

kobject是最最基礎的。很多結構都會有一個內嵌的kobject.
kobject的引用計數功能是最重要的。

kset可以看作是一類kojbect的集合，而subsystem可以看作是若干kset的集合。

 

多個kset可以通過subsys指標指向一個subsystem。但subsystem僅包含一個內嵌的kset。
這種單向關係意味著不可能僅僅通過一個subsystem結構體就找到該subsystem所有的ksets。

他們的聯絡如下：
                                                        
                                                        
  /----------------------------->     kset     <----------------------------/
  |                              +------------+                             |
  |                              |   subsys   |                             |
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