Linux 2.6核心的裝置模型(轉)

Linux 2.6核心的裝置模型(轉)[@more@]　　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，對智慧電源管理、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組織成層次結構，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型別組織成層次結構
Bus目錄：包含系統中所有的匯流排型別
Drivers目錄：包括核心中所有已註冊的裝置驅動程式
Class目錄：系統中的裝置型別（如網路卡裝置，音效卡裝置等）

　　2． 核心物件機制關鍵資料結構

　　2.1 kobject核心物件

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。透過這個資料結構使所有裝置在底層都具有統一的介面，kobject提供基本的物件管理，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物件都對應於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; 物件引用計數
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; 指向其物件型別描述符的指標
struct dentry * dentry; sysfs檔案系統中與該物件對應的檔案節點路徑指標
};
其中的kref域表示該物件引用的計數，核心透過kref實現物件引用計數管理，核心提供兩個函式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，所有該物件使用的資源將被釋放。
Ktype域是一個指向kobj_type結構的指標，表示該物件的型別。Kobj_type資料結構包含三個域：一個release方法用於釋放kobject佔用的資源；一個sysfs_ops指標指向sysfs操作表和一個sysfs檔案系統預設屬性列表。Sysfs操作表包括兩個函式store()和show()。當使用者態讀取屬性時，show()函式被呼叫，該函式編碼指定屬性值存入buffer中返回給使用者態；而store()函式用於儲存使用者態傳入的屬性值。

　　2.2　kset核心物件集合

Kobject通常透過kset組織成層次化的結構，kset是具有相同型別的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物件型別描述符的指標
struct list_head list; 用於連線該kset中所有kobject的連結串列頭
struct kobject kobj; 嵌入的kobject
struct kset_hotplug_ops * hotplug_ops; 指向熱插拔操作表的指標
};
包含在kset中的所有kobject被組織成一個雙向迴圈連結串列，list域正是該連結串列的頭。Ktype域指向一個kobj_type結構，被該 kset中的所有kobject共享，表示這些物件的型別。Kset資料結構還內嵌了一個kobject物件（由kobj域表示），所有屬於這個kset的kobject物件的parent域均指向這個內嵌的物件。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物件的引用計數。

　　2.3 subsystem核心物件子系統

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物件
struct rw_semaphore rwsem; 互斥訪問訊號量
};
每個kset必須屬於某個subsystem，透過設定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共享同一個rwsem訊號量，用於同步訪問kset中的連結串列。


　　3． 核心物件機制主要相關函式

針對核心物件不同層次的資料結構，linux 2.6核心定義了一系列操作函式，定義於lib/kobject.c檔案中。

　　3.1　kobject相關函式

void kobject_init(struct kobject * kobj)；
kobject初始化函式。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清除函式。當其引用計數為０時，釋放物件佔用的資源。
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj)；
將kobj 物件的引用計數加1，同時返回該物件的指標。
void kobject_put(struct kobject * kobj)；
將kobj物件的引用計數減1，如果引用計數降為0，則呼叫kobject_release()釋放該kobject物件。
int kobject_add(struct kobject * kobj)；
將kobj物件加入Linux裝置層次。掛接該kobject物件到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，並啟動該型別核心物件的hotplug函式。
int kobject_register(struct kobject * kobj)；
kobject註冊函式。透過呼叫kobject_init()初始化kobj，再呼叫kobject_add()完成該核心物件的註冊。
void kobject_del(struct kobject * kobj)；
從Linux裝置層次(hierarchy)中刪除kobj物件。
void kobject_unregister(struct kobject * kobj)；
kobject登出函式。與kobject_register()相反，它首先呼叫kobject_del從裝置層次中刪除該物件，再呼叫kobject_put()減少該物件的引用計數，如果引用計數降為0，則釋放該kobject物件。

　　3.2 kset相關函式

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物件的引用計數。Kset_add()和kset_del()函式分別實現將指定keset物件加入裝置層次和從其中刪除；kset_register()函式完成kset的註冊而kset_unregister()函式則完成kset的登出。

　　3.3 subsystem相關函式

subsystem有一組完成類似的函式，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． 裝置模型元件

在上述核心物件機制的基礎上，Linux的裝置模型建立在幾個關鍵元件的基礎上，下面我們詳細闡述這些元件。

　　4.1 devices

系統中的任一裝置在裝置模型中都由一個device物件描述，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物件掛接到全域性裝置連結串列中，所有的device物件都包含在devices_subsys中，並組織成層次結構。Node域將該物件掛接到其兄弟物件的連結串列中，而bus_list則用於將連線到相同匯流排上的裝置組織成連結串列，driver_list則將同一驅動程式管理的所有裝置組織為連結串列。此外，children域指向該device物件子物件連結串列頭，parent域則指向父物件。Device物件還內嵌一個kobject物件，用於引用計數管理並透過它實現裝置層次結構。Driver域指向管理該裝置的驅動程式物件，而driver_data則是提供給驅動程式的資料。Bus域描述裝置所連線的匯流排型別。
核心提供了相應的函式用於操作device物件。其中Device_register()函式將一個新的device物件插入裝置模型，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，登出裝置物件。Get_device()和put_device()分別增加與減少裝置物件的引用計數。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物件。

　　4.2 drivers

系統中的每個驅動程式由一個device_driver物件描述，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型別
struct kobject kobj; 內嵌kobject物件
struct list_head devices; 該驅動所管理的裝置連結串列頭
int (*probe)(struct device *dev); 指向裝置探測函式，用於探測裝置是否可以被該驅動程式管理
int (*remove)(struct device *dev); 用於刪除裝置的函式
/* some fields omitted*/
}；
與device結構類似，device_driver物件依靠內嵌的kobject物件實現引用計數管理和層次結構組織。核心提供類似的函式用於操作device_driver物件，如get_driver()增加引用計數，driver_register()用於向裝置模型插入新的driver物件，同時在sysfs檔案系統中建立對應的目錄。Device_driver()結構還包括幾個函式，用於處理熱拔插、即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; 匯流排型別的名稱
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物件都內嵌一個subsystem物件，bus_subsys物件管理系統中所有匯流排型別的subsystem物件。每個bus_type物件都對應/sys/bus目錄下的一個子目錄，如PCI匯流排型別對應於/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子目錄描述連線在該匯流排上的所有裝置，而drivers目錄則描述與該匯流排關聯的所有驅動程式。與device_driver物件類似，bus_type結構還包含幾個函式（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物件都屬於class_subsys子系統，對應於sysfs檔案系統中的/sys/class目錄。每個class物件包括一個class_device連結串列，每個class_device物件表示一個邏輯裝置，並透過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式，這與device物件和driver物件相似。

　　5． 結束語

Linux 2.6核心基於kobject核心物件機制將系統中的裝置和驅動程式用device,driver等物件描述，並將其組織成一個層次結構的裝置系統，統一管理各種類別的裝置，同時藉助sysfs檔案系統將核心所見裝置系統展示給使用者空間，提供了一個完全層次結構的使用者檢視。依助這個全新的裝置模型，2.6版的核心更加的穩定和可靠，具備更好的適應性和可用性，已經得到廣大Linux愛好者和使用者一致的認同和讚賞。