Linux
2.6內(nèi)核的一個(gè)重要特色是提供了統(tǒng)一的內(nèi)核設(shè)備模型。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對智能電源管理、熱插拔以及plug and
play的支持要求也越來越高，2.4內(nèi)核已經(jīng)難以滿足這些需求。為適應(yīng)這種形勢的需要，2.6內(nèi)核開發(fā)了全新的設(shè)備模型。
１． Sysfs文件系統(tǒng)
Sysfs文件系統(tǒng)是一個(gè)類似于proc文件系統(tǒng)的特殊文件系統(tǒng)，用于將系統(tǒng)中的設(shè)備組織成層次結(jié)構(gòu)，并向用戶模式程序提供詳細(xì)的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息。其頂層目錄主要有：
Block目錄：包含所有的塊設(shè)備
Devices目錄：包含系統(tǒng)所有的設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備掛接的總線類型組織成層次結(jié)構(gòu)
Bus目錄：包含系統(tǒng)中所有的總線類型
Drivers目錄：包括內(nèi)核中所有已注冊的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
Class目錄：系統(tǒng)中的設(shè)備類型（如網(wǎng)卡設(shè)備，聲卡設(shè)備等）
２． 內(nèi)核對象機(jī)制關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
2.1 kobject內(nèi)核對象
Kobject 是Linux 2.6引入的新的設(shè)備管理機(jī)制，在內(nèi)核中由struct
kobject表示。通過這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使所有設(shè)備在底層都具有統(tǒng)一的接口，kobject提供基本的對象管理，是構(gòu)成Linux
2.6設(shè)備模型的核心結(jié)構(gòu)，它與sysfs文件系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)，每個(gè)在內(nèi)核中注冊的kobject對象都對應(yīng)于sysfs文件系統(tǒng)中的一個(gè)目錄。
Kobject結(jié)構(gòu)定義為：
struct kobject {
char * k_name; // 指向設(shè)備名稱的指針
char name[KOBJ_NAME_LEN]; // 設(shè)備名稱
struct kref kref; // 對象引用計(jì)數(shù)
struct list_head entry; // 掛接到所在kset中去的單元
struct kobject * parent; // 指向父對象的指針
struct kset * kset; // 所屬kset的指針
struct kobj_type * ktype; // 指向其對象類型描述符的指針
struct dentry * dentry; // sysfs文件系統(tǒng)中與該對象對應(yīng)的文件節(jié)點(diǎn)路徑指針
};
其中的kref域表示該對象引用的計(jì)數(shù)，內(nèi)核通過kref實(shí)現(xiàn)對象引用計(jì)數(shù)管理，內(nèi)核提供兩個(gè)函數(shù)kobject_get()、kobject_put()分別用于增加和減少引用計(jì)數(shù)，當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0時(shí)，所有該對象使用的資源將被釋放。
Ktype
域是一個(gè)指向kobj_type結(jié)構(gòu)的指針，表示該對象的類型。Kobj_type數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含三個(gè)域：一個(gè)release方法用于釋放kobject占
用的資源；一個(gè)sysfs_ops指針指向sysfs操作表和一個(gè)sysfs文件系統(tǒng)缺省屬性列表。Sysfs操作表包括兩個(gè)函數(shù)store()和
show()。當(dāng)用戶態(tài)讀取屬性時(shí)，show()函數(shù)被調(diào)用，該函數(shù)編碼指定屬性值存入buffer中返回給用戶態(tài)；而store()函數(shù)用于存儲(chǔ)用戶態(tài)
傳入的屬性值。
2.2 kset內(nèi)核對象集合
Kobject通常通過kset組織成層次化的結(jié)構(gòu)，kset是具有相同類型的kobject的集合，在內(nèi)核中用kset數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示，定義為：
struct kset {
struct subsystem * subsys; // 所在的subsystem的指針
struct kobj_type * ktype; // 指向該kset對象類型描述符的指針
struct list_head list; // 用于連接該kset中所有kobject的鏈表頭
struct kobject kobj; // 嵌入的kobject
struct kset_hotplug_ops * hotplug_ops; // 指向熱插拔操作表的指針
};
包 含在kset中的所有kobject被組織成一個(gè)雙向循環(huán)鏈表，list域正是該鏈表的頭。Ktype域指向一個(gè)kobj_type結(jié)構(gòu)，被該
kset中的所有kobject共享，表示這些對象的類型。Kset數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還內(nèi)嵌了一個(gè)kobject對象（由kobj域表示），所有屬于這個(gè)kset
的kobject對象的parent域均指向這個(gè)內(nèi)嵌的對象。此外，kset還依賴于kobj維護(hù)引用計(jì)數(shù)：kset的引用計(jì)數(shù)實(shí)際上就是內(nèi)嵌的
kobject對象的引用計(jì)數(shù)。
2.3 subsystem內(nèi)核對象子系統(tǒng)
Subsystem是一系列kset的集合，描述系統(tǒng)中某一
類設(shè)備子系統(tǒng)，如block_subsys表示所有的塊設(shè)備，對應(yīng)于sysfs文件系統(tǒng)中的block目錄。類似的，devices_subsys對應(yīng)于
sysfs中的devices目錄，描述系統(tǒng)中所有的設(shè)備。Subsystem由struct subsystem數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述，定義為：
struct subsystem {
struct kset kset; // 內(nèi)嵌的kset對象
struct rw_semaphore rwsem; // 互斥訪問信號量
};
每 個(gè)kset必須屬于某個(gè)subsystem，通過設(shè)置kset結(jié)構(gòu)中的subsys域指向指定的subsystem可以將一個(gè)kset加入到該
subsystem。所有掛接到同一subsystem的kset共享同一個(gè)rwsem信號量，用于同步訪問kset中的鏈表。
３． 內(nèi)核對象機(jī)制主要相關(guān)函數(shù)
針對內(nèi)核對象不同層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，linux 2.6內(nèi)核定義了一系列操作函數(shù)，定義于lib/kobject.c文件中。
3.1 kobject相關(guān)函數(shù)
void kobject_init(struct kobject * kobj)；// kobject初始化函數(shù)。設(shè)置kobject引用計(jì)數(shù)為1，entry域指向自身，其所屬kset引用計(jì)數(shù)加１
int kobject_set_name(struct kobject *kobj, const char *format, 
)；// 設(shè)置指定kobject的名稱。
void kobject_cleanup(struct kobject * kobj);
void kobject_release(struct kref *kref)；// kobject清除函數(shù)。當(dāng)其引用計(jì)數(shù)為０時(shí)，釋放對象占用的資源。
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj)；// 將kobj 對象的引用計(jì)數(shù)加1，同時(shí)返回該對象的指針。
void kobject_put(struct kobject * kobj)；// 將kobj對象的引用計(jì)數(shù)減1，如果引用計(jì)數(shù)降為0，則調(diào)用kobject_release()釋放該kobject對象。
int kobject_add(struct kobject * kobj)；// 將kobj對象加入Linux設(shè)備層次。掛接該kobject對象到kset的list鏈中，增加父目錄各級kobject的引用計(jì)數(shù)，在其parent指向的目錄下創(chuàng)建文件節(jié)點(diǎn)，并啟動(dòng)該類型內(nèi)核對象的hotplug函數(shù)。
int kobject_register(struct kobject * kobj)；// kobject注冊函數(shù)。通過調(diào)用kobject_init()初始化kobj，再調(diào)用kobject_add()完成該內(nèi)核對象的注冊。
void kobject_del(struct kobject * kobj)；// 從Linux設(shè)備層次(hierarchy)中刪除kobj對象。
void kobject_unregister(struct kobject * kobj)；// kobject注銷函數(shù)。與kobject_register()相反，它首先調(diào)用kobject_del從設(shè)備層次中刪除該對象，再調(diào)用kobject_put()減少該對象的引用計(jì)數(shù)，如果引用計(jì)數(shù)降為0，則釋放該kobject對象。
3.2 kset相關(guān)函數(shù)
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(jì)數(shù)。
Kset_add()和kset_del()函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)將指定keset對象加入設(shè)備層次和從其中刪除；kset_register()函數(shù)完成
kset的注冊而kset_unregister()函數(shù)則完成kset的注銷。
3.3 subsystem相關(guān)函數(shù)
subsystem有一組完成類似的函數(shù)，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． 設(shè)備模型組件
在上述內(nèi)核對象機(jī)制的基礎(chǔ)上，Linux的設(shè)備模型建立在幾個(gè)關(guān)鍵組件的基礎(chǔ)上，下面我們詳細(xì)闡述這些組件。
4.1 devices
系統(tǒng)中的任一設(shè)備在設(shè)備模型中都由一個(gè)device對象描述，其對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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對象掛接到全局設(shè)備鏈表中，所有的device對象都包含在devices_subsys中，并組織成層次結(jié)構(gòu)。Node域?qū)⒃搶ο髵旖?
到其兄弟對象的鏈表中，而bus_list則用于將連接到相同總線上的設(shè)備組織成鏈表，driver_list則將同一驅(qū)動(dòng)程序管理的所有設(shè)備組織為鏈
表。此外，children域指向該device對象子對象鏈表頭，parent域則指向父對象。Device對象還內(nèi)嵌一個(gè)kobject對象，用于引
用計(jì)數(shù)管理并通過它實(shí)現(xiàn)設(shè)備層次結(jié)構(gòu)。Driver域指向管理該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο螅鴇river_data則是提供給驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)。Bus域描述設(shè)
備所連接的總線類型。
內(nèi)核提供了相應(yīng)的函數(shù)用于操作device對象。其中Device_register()函數(shù)將一個(gè)新的device對象插
入設(shè)備模型，并自動(dòng)在/sys/devices下創(chuàng)建一個(gè)對應(yīng)的目錄。Device_unregister()完成相反的操作，注銷設(shè)備對象。
Get_device()和put_device()分別增加與減少設(shè)備對象的引用計(jì)數(shù)。通常device結(jié)構(gòu)不單獨(dú)使用，而是包含在更大的結(jié)構(gòu)中作為一
個(gè)子結(jié)構(gòu)使用，比如描述PCI設(shè)備的struct pci_dev，其中的dev域就是一個(gè)device對象。
4.2 drivers
系統(tǒng)中的每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序由一個(gè)device_driver對象描述，對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為：
struct device_driver {
char *name; // 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的名稱
struct bus_type *bus; // 該驅(qū)動(dòng)所管理的設(shè)備掛接的總線類型
struct kobject kobj; // 內(nèi)嵌kobject對象
struct list_head devices; // 該驅(qū)動(dòng)所管理的設(shè)備鏈表頭
int (*probe)(struct device *dev); // 指向設(shè)備探測函數(shù)，用于探測設(shè)備是否可以被該驅(qū)動(dòng)程序管理
int (*remove)(struct device *dev); // 用于刪除設(shè)備的函數(shù)
/* some fields omitted*/
}；
與device 結(jié)構(gòu)類似，device_driver對象依靠內(nèi)嵌的kobject對象實(shí)現(xiàn)引用計(jì)數(shù)管理和層次結(jié)構(gòu)組織。內(nèi)核提供類似的函數(shù)用于操作
device_driver對象，如get_driver()增加引用計(jì)數(shù)，driver_register()用于向設(shè)備模型插入新的driver對
象，同時(shí)在sysfs文件系統(tǒng)中創(chuàng)建對應(yīng)的目錄。Device_driver()結(jié)構(gòu)還包括幾個(gè)函數(shù)，用于處理熱拔插、即插即用和電源管理事件。
4.3 buses
系統(tǒng)中總線由struct bus_type描述，定義為：
struct bus_type {
char * name; // 總線類型的名稱
struct subsystem subsys; // 與該總線相關(guān)的subsystem
struct kset drivers; // 所有與該總線相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序集合
struct kset devices; // 所有掛接在該總線上的設(shè)備集合
struct bus_attribute * bus_attrs; // 總線屬性
struct device_attribute * dev_attrs; // 設(shè)備屬性
struct driver_attribute * drv_attrs; // 驅(qū)動(dòng)程序?qū)傩?/span>
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(gè)bus_type對象都內(nèi)嵌一個(gè)subsystem對象，bus_subsys對象管理系統(tǒng)中所有總線類型的subsystem對象。每個(gè)
bus_type對象都對應(yīng)/sys/bus目錄下的一個(gè)子目錄，如PCI總線類型對應(yīng)于/sys/bus/pci。在每個(gè)這樣的目錄下都存在兩個(gè)子目
錄：devices和drivers（分別對應(yīng)于bus_type結(jié)構(gòu)中的devices和drivers域）。其中devices子目錄描述連接在該總
線上的所有設(shè)備，而drivers目錄則描述與該總線關(guān)聯(lián)的所有驅(qū)動(dòng)程序。與device_driver對象類似，bus_type結(jié)構(gòu)還包含幾個(gè)函數(shù)
（match()、hotplug()等）處理相應(yīng)的熱插拔、即插即拔和電源管理事件。
4.4 classes
系統(tǒng)中的設(shè)備類由 struct
class描述，表示某一類設(shè)備。所有的class對象都屬于class_subsys子系統(tǒng)，對應(yīng)于sysfs文件系統(tǒng)中的/sys/class目錄。
每個(gè)class對象包括一個(gè)class_device鏈表，每個(gè)class_device對象表示一個(gè)邏輯設(shè)備，并通過struct
class_device中的dev域（一個(gè)指向struct
device的指針）關(guān)聯(lián)一個(gè)物理設(shè)備。這樣，一個(gè)邏輯設(shè)備總是對應(yīng)于一個(gè)物理設(shè)備，但是一個(gè)物理設(shè)備卻可能對應(yīng)于多個(gè)邏輯設(shè)備。此外，class結(jié)構(gòu)中
還包括用于處理熱插拔、即插即拔和電源管理事件的函數(shù)，這與device對象和driver對象相似。