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(lái)越復(fù)雜，對(duì)智能電源管理、熱插拔以及plug and play的支持要求也越來(lái)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(shì)的需要，2.6內(nèi)核開(kāi)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(cè)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(duì)象機(jī)制關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
2.1 kobject內(nèi)核對(duì)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(guò)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(duì)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(cè)的kobject對(duì)象都對(duì)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 krefkref; 對(duì)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(duì)象的指針
struct kset * kset; 所屬kset的指針
struct kobj_type* ktype; 指向其對(duì)象類型描述符的指針
struct dentry* dentry; sysfs文件系統(tǒng)中與該對(duì)象對(duì)應(yīng)的文件節(jié)點(diǎn)路徑指針
};
其中的kref域表示該對(duì)象引用的計(jì)數(shù)，內(nèi)核通過(guò)kref實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)象集合
Kobject通常通過(guò)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(duì)象類型描述符的指針
struct list_headlist; 用于連接該kset中所有kobject的鏈表頭
struct kobjectkobj; 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(duì)象的類型。Kset數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還內(nèi)嵌了一個(gè)kobject對(duì)象（由kobj域表示），所有屬于這個(gè)kset的kobject對(duì)象的parent域均指向這個(gè)內(nèi)嵌的對(duì)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(duì)象的引用計(jì)數(shù)。
2.3 subsystem內(nèi)核對(duì)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(duì)應(yīng)于sysfs文件系統(tǒng)中的block目錄。類似的，devices_subsys對(duì)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 ksetkset; 內(nèi)嵌的kset對(duì)象
struct rw_semaphorerwsem; 互斥訪問(wèn)信號(hào)量
};
每個(gè)kset必須屬于某個(gè)subsystem，通過(guò)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(hào)量，用于同步訪問(wèn)kset中的鏈表。
３．內(nèi)核對(duì)象機(jī)制主要相關(guān)函數(shù)
針對(duì)內(nèi)核對(duì)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)和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(duì)象占用的資源。
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj)；
將kobj 對(duì)象的引用計(jì)數(shù)加1，同時(shí)返回該對(duì)象的指針。
void kobject_put(struct kobject * kobj)；
將kobj對(duì)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(duì)象。
int kobject_add(struct kobject * kobj)；
將kobj對(duì)象加入Linux設(shè)備層次。掛接該kobject對(duì)象到kset的list鏈中，增加父目錄各級(jí)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(duì)象的hotplug函數(shù)。
int kobject_register(struct kobject * kobj)；
kobject注冊(cè)函數(shù)。通過(guò)調(diào)用kobject_init()初始化kobj，再調(diào)用kobject_add()完成該內(nèi)核對(duì)象的注冊(cè)。
void kobject_del(struct kobject * kobj)；
從Linux設(shè)備層次(hierarchy)中刪除kobj對(duì)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(duì)象，再調(diào)用kobject_put()減少該對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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?cè)敿?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(duì)象描述，其對(duì)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(duì)象掛接到全局設(shè)備鏈表中，所有的device對(duì)象都包含在devices_subsys中，并組織成層次結(jié)構(gòu)。Node域?qū)⒃搶?duì)象掛接到其兄弟對(duì)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(duì)象子對(duì)象鏈表頭，parent域則指向父對(duì)象。Device對(duì)象還內(nèi)嵌一個(gè)kobject對(duì)象，用于引用計(jì)數(shù)管理并通過(guò)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(duì)象。其中Device_register()函數(shù)將一個(gè)新的device對(duì)象插入設(shè)備模型，并自動(dòng)在/sys/devices下創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的目錄。Device_unregister()完成相反的操作，注銷設(shè)備對(duì)象。Get_device()和put_device()分別增加與減少設(shè)備對(duì)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(duì)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(duì)象描述，對(duì)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(duì)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(cè)函數(shù)，用于探測(cè)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(duì)象依靠?jī)?nèi)嵌的kobject對(duì)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(duì)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(duì)象，同時(shí)在sysfs文件系統(tǒng)中創(chuàng)建對(duì)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 ksetdrivers; 所有與該總線相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序集合
struct ksetdevices; 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?br>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(duì)象都內(nèi)嵌一個(gè)subsystem對(duì)象，bus_subsys對(duì)象管理系統(tǒng)中所有總線類型的subsystem對(duì)象。每個(gè)bus_type對(duì)象都對(duì)應(yīng)/sys/bus目錄下的一個(gè)子目錄，如PCI總線類型對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)象都屬于class_subsys子系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于sysfs文件系統(tǒng)中的/sys/class目錄。每個(gè)class對(duì)象包括一個(gè)class_device鏈表，每個(gè)class_device對(duì)象表示一個(gè)邏輯設(shè)備，并通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)象和driver對(duì)象相似。
５．結(jié)束語(yǔ)
Linux 2.6內(nèi)核基于kobject內(nèi)核對(duì)象機(jī)制將系統(tǒng)中的設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序用device,driver等對(duì)象描述，并將其組織成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)的設(shè)備系統(tǒng)，統(tǒng)一管理各種類別的設(shè)備，同時(shí)借助sysfs文件系統(tǒng)將內(nèi)核所見(jiàn)設(shè)備系統(tǒng)展示給用戶空間，提供了一個(gè)完全層次結(jié)構(gòu)的用戶視圖。依助這個(gè)全新的設(shè)備模型，2.6版的內(nèi)核更加的穩(wěn)定和可靠，具備更好的適應(yīng)性和可用性，已經(jīng)得到廣大Linux愛(ài)好者和用戶一致的認(rèn)同和贊賞。
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