第17章　设备与模块

四种内核成分

• 设备类型：在所有 Unix 系统中为了统一普通设备的操作所采用的分类．
• 模块： Linux 内核中用于按需加载和卸载目标码的机制．
• 内核对象：内核数据结构中支持面向对象的简单操作，还支持维护对象之间的父子关系。
• sysfs ：表示系统中设备树的一个文件系统。

17.1　设备类型

Linux系统中，设备被分为以下三种类型

块设备

• 通常缩写为 blkdev ，它是可寻址的，寻址以块为单位，块大小随设备不同而不同;
• 支持重定位（seeking ）操作，也就是对数据的随机访问 块设备的例子有硬盘、蓝光光牒，还有如 Flash 这样的存储设备;
• 通过称为“块设备节点”的特殊文件来访问的.

字符设备

• 字符设备通常缩写为 cdev，它是不可寻址的，仅提供数据的流式访问;
• 例子有键盘、鼠标、打印机，还有大部分伪设备。
• 通过称为“字符设备节点”的特殊文件来访问的。
• 与块设备不同，应用程序通过直接访问设备节点与字符设备交互。

网络设备

• 网络设备打破了 Unix 的“所有东西都是文件”的设计原则，它不 是通过设备节点来访问，而是通过套接字 API 这样的特殊接口来访问。 其他设备
• “杂项设备”，是个简化的字符设备。杂项设备使驱动程序开发者能够很容易地表示一个简单设备。
• “伪设备”的设备驱动是虚拟的，仅提供访问内核功能而 已。最常见的如内核随机数发生器（通过／dev/random和／dev/urandom 访问）、空设备（通过／dev/null 访问）、零设备（通过／dev/zero访问）等。

17.2　模块

17.2.1　Hello，World

1、Linux 内核是模块化组成的，它允许内核在运行时动态地向其中插入或从中删除代码。

• 这些代码（包括相关的子例程、数据、函数人口和函数出口〉被一并组合在 个单独的二进制镜像中，即所谓的可装载内核模块中，或简称为模块。

2、支持模块的好处：

• 基本内核镜像可以尽可能地小，因为可选的功能和驱动程序可以利用模块形式再提供。
• 模块允许我们方便地删除和重新载入内核代码，也方便了调试工作。而且当热插拔新设备时，可通过命令载入新的驱动程序。

3、调用 module_init（）实际上不是真正的函数调用，而是一个宏调用，它唯一的参数便是模块的初始化函数。模块的所有初始化函数必须符合下面的形式：

int my _ init (void) ;

17.2.2　构建模块

构建过程的第一步是决定在哪里管理模块源码。 
构建方式：

(1)放在内核派代码树中.

• 把模块源码加入到内核源代码树中
• 作为一个补丁或者是最终把你的代码合并到正式的内核代码树中.

(2)放在内核代码外.

17.2.3　安装模块

用来安装编译的模块到合适的目录下

make modules install

通常需要以 root 权限运行。

17.2.4　产生模块依赖性

产生内核依赖关系的信息， root用户可运行命令

depmod

17.2.5　载入模块

1、载入模块最简单的方法是通过 insmod 命令。

insmod module.ko

2、卸载模块使用 rmmod 命令，以 root 身份运：

rmmod module

3、via modprobe中插入模块，需要以 root 身份运行：

modprobe module [ module parameters ]

其中，参数 module 指定了需要载入的模块各称，后面的参数将在模块加载时传入内核。

17.2.6　管理配置选项

Kconfig 文件:

config FISHING_POLE 
    tristate  "Fish Master 3000  support"
    default  n 
    help 
        If you say Y here,  support for the  Fish  Master  3000  wi th computer interface will  be compiled into  the kernel  and  accessible via a device node . You can  also  say M here  and  the  driver will  be  built as  a 
        module named fishing.ko. 
        If  unsure,  say N. 

• 配置选项第一行定义了该选项所代表的配置目标。注意 CONFIG＿ 前缀并不需要写上。
• 第二行声明选项类型为住istate，也就是说可以编译进内核（Y），也可作为模块编译（M),或者干脆不编译它（N）。如果编译选项代表的是一个系统功能，而不是一个模块，那么编译选项将用 bool 指令代替往istate，这说明它不允许被编译成模块。处于指令之后的引号内文字为该选项指定了名称。
• 第三行指定了该选项的默认选择，这里默认操作是不编译它（则。也可以把默认选择指定为编译进内核飞凹，或者编译成一个模块（M）。对驱动程序而言，默认选择通常为不编译进内核（N）。
• Help 指令的目的是为该选项提供帮助文档。各种配置工具都可以按要求显示这些帮助。因为这些帮助是面向编译内核的用户和开发者的，所以帮助内容简洁扼要。一般的用户通常不会编译内核，但如果他们想试试，往往也能理解配置帮助的意思。

17.2.7　模块参数

所有宏需要包含＜linux/module.h＞头文件。

17.2.8　导出符号表

在内核中，导出内核函数需要使用特殊的指令：

EXPORT_ SYMBOL（）和 EXPORTSYMBOLGPL（）

17.3　设备模型

统一设备模型 :

设备模型提供了一个独立的机制专门来表示设备，并描述其在系统中的拓扑结构，从而使得系统具有以下优点:

• 代码重复最小化．
• 提供诸如引用计数这样的统一机制。
• 可以列举系统中所有的设备，观察它们的状态，并且查看它们连接的总结．
• 可以将系统中的全部设备结构以树的形式完整、有效地展现出来一一包括所有的总统和内部连接。
• 可以将设备和其对应的驱动联系起来，反之亦然。
• 可以将设备按照类型加以归类，比如分类为输入设备，而无需理解物理设备的拓扑结构．
• 可以沿设备树的叶子向其根的方向依次遍历，以保证能以正确顺序关闭各设备的电源。

17.3.1　kobject

设备模型的核心部分就是 kobject，它自 struct kobject 结构体表示，定义于头文件＜linux/kobject.b＞中。

17.3.2　ktype

ktype 的存在是为了描述一族kobject 所具有的普遍特性．

17.3.3　kset

kset 是 kobject 对象的集合体。把它看成是一个容器，可将所有相关的 kobject 对象，比如“全部的块设备”置于同一位置。

17.3.4　kobject、ktype和kset的相互关系

kobject，由 struct koject 表示。 kobject 为我们引入了诸如引用计数、父子关系和对象名称等基本对象道具，并且是以一个统一的方式提供这些功能。

17.3.5　管理和操作kobject

使用 kobjcet 的第一步需要先来声明和初始化。 kobject 通过函数ko均ect_init 进行初始化，该函数定义在文件 ＜linux/kobject.h＞中 ：

void kobjectinit(struct kobject •kobj, struct kobjtype •ktype);

• 第一个参数就是需要初始化的 kobject 对象，在调用初始化函数前， kobject 必须清空。
• 这个工作往往会在 kobject 所在的上层结构体初始化时完成。
• 如果 kobject 未被清空，那么只需要调用 memset().

17.3.6　引用计数

• 增加引用计数称为获得对象的引用，减少引用计数称为释放对象的引用。
• 当引用计数跌到零时，对象便可以被撤销，同时相关内存也都被释放。

17.4　sysfs

• sysfs文件系统是个处于内存中的虚拟文件系统
• 它为我们提供了 kobject 对象层次结构的视图。
• 帮助用户能以一个简单文件系统的方式来观察系统中各种设备的拓扑结构。

17.4.1　sysfs中添加和删除kobject

函数都定义于文件 lib/kobject.c 中，声明于头文件＜linux/kobject.b＞中。

17.4.2　向sysfs中添加文件

1、 默认属性

• 默认的文件集合是通过 kobject 和 kset 中的 ktype 字段提供的。因此所有具有相同类型的 kobject 在它们对应的 sysfs 目录下都拥有相同的默认文件集合.

2、创建新属性

• 在sysfs 中创建一个符号连接：

int sysfscreatelink(struct kobject kobj, struct kobject target, char name);

3、删除新属性 - 删除一个属性需通过函数sysfsremove file（） 完成：

void sysfsremovefile (struct kobject kobj, const struct attribute attr);

• 由sysfs_ creat_ link()创建的符号连接可通过删除：

void sysfsremovelink(struct kobject kobj , char name);

17.4.3　内核事件层

1、内核事件由内核空间传递到用户空间需要经过 netlink. netlink 一个用于传送网络信息的多点传送套接字。

2、在内核代码中向用户空间发送信号使用函数 kobject uevent():

int kobject_uevent(struct kobject *kobj,enum kobject_ action action);

• 第一个参数指定发送该信号的 koject 对象。实际的内核事件将包含该 koject 映射到 sysfs路径。
• 第二个参数指定了描述该信号的“动作”或“动词”。