20150225 IMX257 设备驱动模型之sysfs文件系统知识点整合(二)
2012-02-25 李海沿
前天我们实现了一个简单的sysfs的kobject的驱动程序，可是有没有发现很多东西都不懂，原因就是在我们对sysfs和kobject的工作原理不懂，虽然我一直不提倡整天接触那些乏味的知识点，也一直不喜欢谈论太多的知识点，但是有的时候，理论知识是实践的基础，有些基础的知识点还是不得不提，下面进入正题。
一、sysfs介绍
在linux2.6内核以后，引入了一个新的文件系统sysfs，它挂载于/sys目录下，跟devfs一样它也是一个虚拟文 件系统，也是用来对系统的设备进行管理的，它把实际连接到系统上的设备和总线组织成一个分级的文件，用户空间的程序同样可以利用这些信息以实现和内核的交 互，该文件系统是当前系统上实际设备树的一个直观反应，它是通过kobject子系统来建立这个信息的，当一个kobject被创建的时候，对应的文件和 目录也就被创建了，位于/sys下的相关目录下，既然每个设备在sysfs中都有唯一对应的目录，那么也就可以被用户空间读写了。用户空间的工具udev 就是利用了sysfs提供的信息来实现所有devfs的功能的，但不同的是udev运行在用户空间中，而devfs却运行在内核空间，而且udev不存在 devfs那些先天的缺陷。很显然，sysfs将是未来发展的方向。
sysfs把连接在系统上的设备和总线组织成为一个分级的目录及文件，它们可以由用户空间存取，向用户空间导出内核数据结构以及它们的属性，这其中就包括设备的主次设备号。新的设备文件系统udev的工作过程就依赖于sysfs文件系统的这些功能特点。udev文件系统在用户空间工作，它可以根据sysfs文件系统导出的信息（设备号（dev）等），动态建立和删除设备文件，而不再需要使用mknod来手动建立设备文件，也不必为查找设备号（尤其是驱动中动态申请产生的设备号）而头疼。
kobject内核对象提供了基本的对象管理能力，是linux 2.6设备模型的核心结构，每个在内核中注册的kobject对象都对应于sysfs文件系统的一个目录，这可以通过以下函数调用体现，实现流程：
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kobject_add() -> kobject_add_varg() -> kobject_add_internal() -> create_dir() -> sysfs_create_dir() |
sysfs文件系统下的所有目录，其最终的建立过程都是通过注册添加kobject到linux设备层次来实现的，举两个例子：
1.class目录
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class_register -> __class_register -> kset_register -> kobject_add_internal |
2.device目录
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device_register -> device_add -> kobject_add |
因此，对应于一个设备，在sysfs文件系统下不是一个文件，而是一个目录，目录名字的来源是kobject对象的name域。目录中会有两个文件和若干目录，这两个文件是设备的属性文件。我们可以看看device_add函数的实现，其中有：
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912 error = device_create_file(dev, &uevent_attr); //创建属性文件 913 if (error) 914 goto attrError; 915 916 if (MAJOR(dev->devt)) { //读取处设备的主设备号 917 error = device_create_file(dev, &devt_attr); //写入设备号相关的属性文件 918 if (error) 919 goto ueventattrError; |
从上面程序中得知，将会在sysfs文件系统的对应设备目录下创建两个属性文件。
下面我们呢再来分析一下这两个结构体 uevent_attr 和 devt_att到底是什么样子
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311 static struct device_attribute uevent_attr = 312 __ATTR(uevent, S_IRUGO | S_IWUSR, show_uevent, store _uevent); 428 static struct device_attribute devt_attr = 429 __ATTR(dev, S_IRUGO, show_dev, NULL); |
再看看_ATTR:
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48 #define __ATTR(_name,_mode,_show,_store) { 49 .attr = {.name = __stringify(_name), .mode = _mode }, \ 50 .show = _show, \ 51 .store = _store, \ 52 } |
可以发现，翻译一下，其实我们uevent_att属性就是：
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Static struct device_attribute uevent_attr = { .attr = { .name = uevent , //设备属性文件名 .mode = S_IRUGO | S_IWUSR, //权限 } .show = show_uevent, //读取设备属性文件 .store = store _uevent, //写入设备属性文件 } |
同理，我们也可以得到 devt_attr 的结构：
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Static struct device_attribute devt_attr = { .attr = { .name = dev , //设备属性文件名 .mode = S_IRUGO, //权限 } .show = show_dev, //读取设备属性文件 .store = NULL, } |
相应的读取和写入操作，不过就是对这些属性的读取和修改罢了。
二、udev介绍
udev 是 Linux2.6 内核里的一个功能，它替代了原来的 devfs，成为当前 Linux 默认的设备管理工具。udev 以守护进程的形式运行，通过侦听内核发出来的 uevent 来管理 /dev目录下的设备文件。不像之前的设备管理工具，udev 在用户空间 (user space) 运行，而不在内核空间 (kernel space) 运行。
下面我们来了解一下，udev如何根据sysfs来自动创建设备节点。
对于已经编入内核的驱动程序，当被内核检测到的时候，会直接在 sysfs 中注册其对象；对于编译成模块的驱动程序，当模块载入的时候才会这样做。一旦挂载了 sysfs 文件系统(挂载到 /sys)，内建的驱动程序在 sysfs 注册的数据就可以被用户空间的进程使用，并提供给 udev 以创建设备节点。
udev 初始化脚本负责在 Linux 启动的时候创建设备节点，该脚本首先将 /sbin/udevsend 注册为热插拔事件处理程序。热插拔事件(随后将讨论)本不应该在这个阶段发生，注册 udev 只是为了以防万一。然后 udevstart 遍历 /sys 文件系统（其属性文件dev中记录这设备的主设备号，与次设备号），并在 /dev 目录下创建符合描述的设备文件。例如，/sys/class/tty/vcs/dev 里含有"7:0"字符串，udevstart 就根据这个字符串创建主设备号为 7 、次设备号为 0 的 /dev/vcs 设备。udevstart 创建的每个设备的名字和权限由 /etc/udev/rules.d/ 目录下的文件指定的规则来设置。如果 udev 找不到所创建设备的权限文件，就将其权限设置为缺省的 660 ，所有者为 root:root 。
上面的步骤完成后，那些已经存在并且已经内建驱动的设备就可以使用了，那么以模块驱动的设备呢？
大多数 Linux 发行版通过 /etc/modules.conf 配置文件来处理模块加载，对某个设备节点的访问导致相应的内核模块被加载。对 udev 这个方法就行不通了，因为在模块加载前，设备节点根本不存在。为了解决这个问题，在 LFS-Bootscripts 软件包里加入了 modules 启动脚本，以及
/etc/sysconfig/modules 文件。通过在 modules 文件里添加模块名，就可以在系统启动的时候加载这些模块，这样 udev 就可以检测到设备，并创建相应的设备节点了。如果插入的设备有一个驱动程序模块但是尚未加载，Hotplug 软件包就有用了，它就会响应上述的内核总线驱动热插拔事件并加载相应的模块，为其创建设备节点，这样设备就可以使用了。
udev是一种工具，它能够根据系统中的硬件设备的状况动态更新设备文件，包括设备文件的创建，删除等。设备文件通常放在/dev目录下，使用udev 后,在/dev下面只包含系统中真实存在的设备。它于硬件平台无关的，位于用户空间，需要内核sysfs和tmpfs的支持，sysfs为udev提供设备入口和uevent通道，tmpfs为udev设备文件提供存放空间。
易见udev设备文件的优点：
1.udev完全在用户态工作，利用设备加入或移除时内核所发送的热插拔事件。在热插拔时，设备的详细信息会由内核输出到位于/sys的sysfs
文件系统。udev的设备命名策略权限控制都在用户态完成的，它利用sysfs信息来进行创建设备文件节点。
2.udev根据系统中的硬件设备的状态动态更新设备文件，进行设备文件的创建和删除等。
注：使用udev,/dev目录下就会只包含系统中真正存在的设备。
3.动态管理：当设备添加 / 删除时，udev 的守护进程侦听来自内核的 uevent，以此添加或者删除 /dev下的设备文件，所以 udev 只为已经连接的设备产生设备文件，而不会在 /dev下产生大量虚无的设备文件。
4.自定义命名规则：通过 Linux 默认的规则文件，udev 在 /dev/ 里为所有的设备定义了内核设备名称，比如 /dev/sda、/dev/hda、/dev/fd等等。由于 udev 是在用户空间 (user space) 运行，Linux 用户可以通过自定义的规则文件，灵活地产生标识性强的设备文件名，比如 /dev/boot_disk、/dev/root_disk、/dev/color_printer等等。
5.设定设备的权限和所有者 / 组：udev 可以按一定的条件来设置设备文件的权限和设备文件所有者 / 组。在不同的 udev 版本中，实现的方法不同，在"如何配置和使用 udev"中会详解。
注：所有在 sysfs 中显示的设备都可以由 udev 来创建节点。如果内核中增加了其它设备的支持，
udev 也就自动地可以为它们工作了。在init初始化之前，udev 可以被放入 initramfs 之中，并在每个设备被发现的时候运行。
也可以让udev 工作在一个真的根分区被加载之后根据 /sys 的内容创建的初始 /dev 目录之中
工作流程
三、devfs介绍
linux下有专门的文件系统用来对设备进行管理，devfs和sysfs就是其中两种。
在2.6内核以前一直使用的是devfs，devfs挂载于/dev目录下，提供了一种类似于文件的方法来管理位于/dev目录下的所有设备，我们知道 /dev目录下的每一个文件都对应的是一个设备，至于当前该设备存在与否先且不论，而且这些特殊文件是位于根文件系统上的，在制作文件系统的时候我们就已 经建立了这些设备文件，因此通过操作这些特殊文件，可以实现与内核进行交互。
但是devfs文件系统有一些缺点，例如：不确定的设备映射，有时一个设备映 射的设备文件可能不同，例如我的U盘可能对应sda有可能对应sdb；没有足够的主/辅设备号，当设备过多的时候，显然这会成为一个问题；/dev目录下 文件太多而且不能表示当前系统上的实际设备；命名不够灵活，不能任意指定等等。
四、udev与devfs设备文件对比
1.udev能够实现所有devfs实现的功能。但udev运行在用户模式中，而devfs运行在内核中。
2.当一个并不存在的 /dev 节点被打开的时候， devfs一样自动加载驱动程序而udev确不能。udev设计时，是在设备被发现的时候加载模块，而不是当它被访问的时候。
devfs这个功能对于一个配置正确的计算机是多余的。系统中所有的设备都应该产生hotplug 事件、加载恰当的驱动，而 udev 将会注意到这点并且为它创建对应的设备节点。
如果你不想让所有的设备驱动停留在内存之中，应该使用其它东西来管理你的模块 (如脚本, modules.conf, 等等) 。
其中devfs 用的方法导致了大量无用的 modprobe 尝试，以此程序探测设备是否存在。
每个试探性探测都新建一个运行 modprobe 的进程，而几乎所有这些都是无用的。
3.udev是通过对内核产生的设备名增加别名的方式来达到上述目的的。前面说过，udev是用户模式程序，不会更改内核的行为。
因此，内核依然会我行我素地产生设备名如sda,sdb等。但是，udev可以根据设备的其他信息如总线（bus），生产商（vendor）等不同来区分不同的设备，并产生设备文件。udev只要为这个设备文件取一个固定的文件名就可以解决这个问题。在后续对设备的操作中，只要引用新的设备名就可以了。但为了保证最大限度的兼容，一般来说，新设备名总是作为一个对内核自动产生的设备名的符号链接（link）来使用的。
例如：内核产生了sda设备名，而根据信息，这个设备对应于是我的内置硬盘，那我就可以制定udev规则，让udev除了产生/dev/sda设备文件 外，另外创建一个符号链接叫/dev/internalHD。这样，我在fstab文件中，就可以用/dev/internalHD来代替原来的 /dev/sda了。下次，由于某些原因，这个硬盘在内核中变成了sdb设备名了，那也不用着急，udev还会自动产生/dev/internalHD这 个链接，并指向正确的/dev/sdb设备。所有其他的文件像fstab等都不用修改。
而在在2.6内核以前一直使用的是 devfs，devfs挂载于/dev目录下，提供了一种类似于文件的方法来管理位于/dev目录下的所有设备，但是devfs文件系统有一些缺点，例 如：不确定的设备映射，有时一个设备映射的设备文件可能不同，例如我的U盘可能对应sda有可能对应sdb 。
注：可以用命令查看其中的信息， udevinfo -a -p /sys/block/sda
声明，作为一个初学者，很多东西都不懂，本文并非原创，而是将我学习时参考的大牛文章进行整理而来的，下面是部分文章的链接地址，大家可以进入看看原文。
部分文章出处：
http://www.360doc.com/content/11/1218/16/1299815_173168170.shtml
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-udev/