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31 | 瞧一瞧Linux：如何获取所有设备信息？

31 | 瞧一瞧Linux：如何获取所有设备信息？-极客时间

31 | 瞧一瞧Linux：如何获取所有设备信息？

2021-07-19 LMOS 来自北京
《操作系统实战45讲》
课程介绍

讲述：陈晨

时长16:42大小15.26M

你好，我是 LMOS。
前面我们已经完成了 Cosmos 的驱动设备的建立，还写好了一个真实的设备驱动。
今天，我们就来看看 Linux 是如何管理设备的。我们将从 Linux 如何组织设备开始，然后研究设备驱动相关的数据结构，最后我们还是要一起写一个 Linux 设备驱动实例，这样才能真正理解它。

感受一下 Linux 下的设备信息

Linux 的设计哲学就是一切皆文件，各种设备在 Linux 系统下自然也是一个个文件。不过这个文件并不对应磁盘上的数据文件，而是对应着存在内存当中的设备文件。实际上，我们对设备文件进行操作，就等同于操作具体的设备。
既然我们了解万事万物，都是从最直观的感受开始的，想要理解 Linux 对设备的管理，自然也是同样的道理。那么 Linux 设备文件在哪个目录下呢？其实现在我们在 /sys/bus 目录下，就可以查看所有的设备了。
Linux 用 BUS（总线）组织设备和驱动，我们在 /sys/bus 目录下输入 tree 命令，就可以看到所有总线下的所有设备了，如下图所示。
Linux设备文件
上图中，显示了部分 Linux 设备文件，有些设备文件是链接到其它目录下文件，这不是重点，重点是你要在心中有这个目录层次结构，即总线目录下有设备目录，设备目录下是设备文件。

数据结构

我们接着刚才的图往下说，我们能感觉到 Linux 的驱动模型至少有三个核心数据结构，分别是总线、设备和驱动，但是要像上图那样有层次化地组织它们，只有总线、设备、驱动这三个数据结构是不够的，还得有两个数据结构来组织它们，那就是 kobject 和 kset，下面我们就去研究它们。

kobject 与 kset

kobject 和 kset 是构成 /sys 目录下的目录节点和文件节点的核心，也是层次化组织总线、设备、驱动的核心数据结构，kobject、kset 数据结构都能表示一个目录或者文件节点。下面我们先来研究一下 kobject 数据结构，代码如下所示。
struct kobject {
const char *name; //名称，反映在sysfs中
struct list_head entry; //挂入kset结构的链表
struct kobject *parent; //指向父结构
struct kset *kset; //指向所属的kset
struct kobj_type *ktype;
struct kernfs_node *sd; //指向sysfs文件系统目录项
struct kref kref; //引用计数器结构
unsigned int state_initialized:1;//初始化状态
unsigned int state_in_sysfs:1; //是否在sysfs中
unsigned int state_add_uevent_sent:1;
unsigned int state_remove_uevent_sent:1;
unsigned int uevent_suppress:1;
};
每一个 kobject，都对应着 /sys 目录下（其实是 sysfs 文件系统挂载在 /sys 目录下） 的一个目录或者文件，目录或者文件的名字就是 kobject 结构中的 name。
我们从 kobject 结构中可以看出，它挂载在 kset 下，并且指向了 kset，那 kset 是什么呢？我们来分析分析，它是 kobject 结构的容器吗？
其实是也不是，因为 kset 结构中本身又包含一个 kobject 结构，所以它既是 kobject 的容器，同时本身还是一个 kobject。kset 结构代码如下所示。
struct kset {
struct list_head list; //挂载kobject结构的链表
spinlock_t list_lock; //自旋锁
struct kobject kobj;//自身包含一个kobject结构
const struct kset_uevent_ops *uevent_ops;//暂时不关注
} __randomize_layout;
看到这里你应该知道了，kset 不仅仅自己是个 kobject，还能挂载多个 kobject，这说明 kset 是 kobject 的集合容器。在 Linux 内核中，至少有两个顶层 kset，代码如下所示。
struct kset *devices_kset;//管理所有设备
static struct kset *bus_kset;//管理所有总线
static struct kset *system_kset;
int __init devices_init(void)
{
devices_kset = kset_create_and_add("devices", &device_uevent_ops, NULL);//建立设备kset
return 0;
}
int __init buses_init(void)
{
bus_kset = kset_create_and_add("bus", &bus_uevent_ops, NULL);//建立总线kset
if (!bus_kset)
return -ENOMEM;
system_kset = kset_create_and_add("system", NULL, &devices_kset->kobj);//在设备kset之下建立system的kset
if (!system_kset)
return -ENOMEM;
return 0;
}
我知道，你可能很难想象许多个 kset 和 kobject 在逻辑上形成的层次结构，所以我为你画了一幅图，你可以结合这张示意图理解这个结构。
kset与kobject
上图中展示了一个类似文件目录的结构，这正是 kset 与 kobject 设计的目标之一。kset 与 kobject 结构只是基础数据结构，但是仅仅只有它的话，也就只能实现这个层次结构，其它的什么也不能干，根据我们以往的经验可以猜出，kset 与 kobject 结构肯定是嵌入到更高级的数据结构之中使用，下面我们继续探索。

总线

kset、kobject 结构只是开胃菜，这个基础了解了，我们还要回到研究 Linux 设备与驱动的正题上。我们之前说过了，Linux 用总线组织设备和驱动，由此可见总线是 Linux 设备的基础，它可以表示 CPU 与设备的连接，那么总线的数据结构是什么样呢？我们一起来看看。
Linux 把总线抽象成 bus_type 结构，代码如下所示。
struct bus_type {
const char *name;//总线名称
const char *dev_name;//用于列举设备，如（"foo%u", dev->id）
struct device *dev_root;//父设备
const struct attribute_group **bus_groups;//总线的默认属性
const struct attribute_group **dev_groups;//总线上设备的默认属性
const struct attribute_group **drv_groups;//总线上驱动的默认属性
//每当有新的设备或驱动程序被添加到这个总线上时调用
int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
//当一个设备被添加、移除或其他一些事情时被调用产生uevent来添加环境变量。
int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
//当一个新的设备或驱动程序添加到这个总线时被调用，并回调特定驱动程序探查函数，以初始化匹配的设备
int (*probe)(struct device *dev);
//将设备状态同步到软件状态时调用
void (*sync_state)(struct device *dev);
//当一个设备从这个总线上删除时被调用
int (*remove)(struct device *dev);
//当系统关闭时被调用
void (*shutdown)(struct device *dev);
//调用以使设备重新上线（在下线后）
int (*online)(struct device *dev);
//调用以使设备离线，以便热移除。可能会失败。
int (*offline)(struct device *dev);
//当这个总线上的设备想进入睡眠模式时调用
int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
//调用以使该总线上的一个设备脱离睡眠模式
int (*resume)(struct device *dev);
//调用以找出该总线上的一个设备支持多少个虚拟设备功能
int (*num_vf)(struct device *dev);
//调用以在该总线上的设备配置DMA
int (*dma_configure)(struct device *dev);
//该总线的电源管理操作，回调特定的设备驱动的pm-ops
const struct dev_pm_ops *pm;
//此总线的IOMMU具体操作，用于将IOMMU驱动程序实现到总线上
const struct iommu_ops *iommu_ops;
//驱动核心的私有数据，只有驱动核心能够接触这个
struct subsys_private *p;
struct lock_class_key lock_key;
//当探测或移除该总线上的一个设备时，设备驱动核心应该锁定该设备
bool need_parent_lock;
};
可以看出，上面代码的 bus_type 结构中，包括总线名字、总线属性，还有操作该总线下所有设备通用操作函数的指针，其各个函数的功能我在代码注释中已经写清楚了。
从这一点可以发现，总线不仅仅是组织设备和驱动的容器，还是同类设备的共有功能的抽象层。下面我们来看看 subsys_private，它是总线的驱动核心的私有数据，其中有我们想知道的秘密，代码如下所示。
//通过kobject找到对应的subsys_private
#define to_subsys_private(obj) container_of(obj, struct subsys_private, subsys.kobj)
struct subsys_private {
struct kset subsys;//定义这个子系统结构的kset
struct kset *devices_kset;//该总线的"设备"目录，包含所有的设备
struct list_head interfaces;//总线相关接口的列表
struct mutex mutex;//保护设备，和接口列表
struct kset *drivers_kset;//该总线的"驱动"目录，包含所有的驱动
struct klist klist_devices;//挂载总线上所有设备的可迭代链表
struct klist klist_drivers;//挂载总线上所有驱动的可迭代链表
struct blocking_notifier_head bus_notifier;
unsigned int drivers_autoprobe:1;
struct bus_type *bus; //指向所属总线
struct kset glue_dirs;
struct class *class;//指向这个结构所关联类结构的指针
};
看到这里，你应该明白 kset 的作用了，我们通过 bus_kset 可以找到所有的 kset，通过 kset 又能找到 subsys_private，再通过 subsys_private 就可以找到总线了，也可以找到该总线上所有的设备与驱动。

设备

虽然 Linux 抽象出了总线结构，但是 Linux 还需要表示一个设备，下面我们来探索 Linux 是如何表示一个设备的。
其实，在 Linux 系统中设备也是一个数据结构，里面包含了一个设备的所有信息。代码如下所示。
struct device {
struct kobject kobj;
struct device *parent;//指向父设备
struct device_private *p;//设备的私有数据
const char *init_name; //设备初始化名字
const struct device_type *type;//设备类型
struct bus_type *bus; //指向设备所属总线
struct device_driver *driver;//指向设备的驱动
void *platform_data;//设备平台数据
void *driver_data;//设备驱动的私有数据
struct dev_links_info links;//设备供应商链接
struct dev_pm_info power;//用于设备的电源管理
struct dev_pm_domain *pm_domain;//提供在系统暂停时执行调用
#ifdef CONFIG_GENERIC_MSI_IRQ
struct list_head msi_list;//主机的MSI描述符链表
#endif
struct dev_archdata archdata;
struct device_node *of_node; //用访问设备树节点
struct fwnode_handle *fwnode; //设备固件节点
dev_t devt; //用于创建sysfs "dev"
u32 id; //设备实例id
spinlock_t devres_lock;//设备资源链表锁
struct list_head devres_head;//设备资源链表
struct class *class;//设备的类
const struct attribute_group **groups; //可选的属性组
void (*release)(struct device *dev);//在所有引用结束后释放设备
struct iommu_group *iommu_group;//该设备属于的IOMMU组
struct dev_iommu *iommu;//每个设备的通用IOMMU运行时数据
};
device 结构很大，这里删除了我们不需要关心的内容。另外，我们看到 device 结构中同样包含了 kobject 结构，这使得设备可以加入 kset 和 kobject 组建的层次结构中。device 结构中有总线和驱动指针，这能帮助设备找到自己的驱动程序和总线。

驱动

有了设备结构，还需要有设备对应的驱动，Linux 是如何表示一个驱动的呢？同样也是一个数据结构，其中包含了驱动程序的相关信息。其实在 device 结构中我们就看到了，就是 device_driver 结构，代码如下。
struct device_driver {
const char *name;//驱动名称
struct bus_type *bus;//指向总线
struct module *owner;//模块持有者
const char *mod_name;//用于内置模块
bool suppress_bind_attrs;//禁用通过sysfs的绑定/解绑
enum probe_type probe_type;//要使用的探查类型（同步或异步）
const struct of_device_id *of_match_table;//开放固件表
const struct acpi_device_id *acpi_match_table;//ACPI匹配表
//被调用来查询一个特定设备的存在
int (*probe) (struct device *dev);
//将设备状态同步到软件状态时调用
void (*sync_state)(struct device *dev);
//当设备被从系统中移除时被调用，以便解除设备与该驱动的绑定
int (*remove) (struct device *dev);
//关机时调用，使设备停止
void (*shutdown) (struct device *dev);
//调用以使设备进入睡眠模式，通常是进入一个低功率状态
int (*suspend) (struct device *dev, pm_message_t state);
//调用以使设备从睡眠模式中恢复
int (*resume) (struct device *dev);
//默认属性
const struct attribute_group **groups;
//绑定设备的属性
const struct attribute_group **dev_groups;
//设备电源操作
const struct dev_pm_ops *pm;
//当sysfs目录被写入时被调用
void (*coredump) (struct device *dev);
//驱动程序私有数据
struct driver_private *p;
};
struct driver_private {
struct kobject kobj;
struct klist klist_devices;//驱动管理的所有设备的链表
struct klist_node knode_bus;//加入bus链表的节点
struct module_kobject *mkobj;//指向用kobject管理模块节点
struct device_driver *driver;//指向驱动本身
};
在 device_driver 结构中，包含了驱动程序的名字、驱动程序所在模块、设备探查和电源相关的回调函数的指针。在 driver_private 结构中同样包含了 kobject 结构，用于组织所有的驱动，还指向了驱动本身，你发现没有，bus_type 中的 subsys_private 结构的机制如出一辙。

文件操作函数

前面我们学习的都是 Linux 驱动程序的核心数据结构，我们很少用到，只是为了让你了解最基础的原理。
其实，在 Linux 系统中提供了更为高级的封装，Linux 将设备分成几类分别是：字符设备、块设备、网络设备以及杂项设备。具体情况你可以参考我后面梳理的图表。
设备类型一览表
这些类型的设备的数据结构，都会直接或者间接包含基础的 device 结构，我们以杂项设备为例子研究一下，Linux 用 miscdevice 结构表示一个杂项设备，代码如下。
struct miscdevice {
int minor;//设备号
const char *name;//设备名称
const struct file_operations *fops;//文件操作函数结构
struct list_head list;//链表
struct device *parent;//指向父设备的device结构
struct device *this_device;//指向本设备的device结构
const struct attribute_group **groups;
const char *nodename;//节点名字
umode_t mode;//访问权限
};
miscdevice 结构就是一个杂项设备，它一般在驱动程序代码文件中静态定义。我们清楚地看见有个 this_device 指针，它指向下层的、属于这个杂项设备的 device 结构。
但是这里重点是 file_operations 结构，设备一经注册，就会在 sys 相关的目录下建立设备对应的文件结点，对这个文件结点打开、读写等操作，最终会调用到驱动程序对应的函数，而对应的函数指针就保存在 file_operations 结构中，我们现在来看看这个结构。
struct file_operations {
struct module *owner;//所在的模块
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);//调整读写偏移
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);//读
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);//写
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);//映射
int (*open) (struct inode *, struct file *);//打开
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);//刷新
int (*release) (struct inode *, struct file *);//关闭
} __randomize_layout;
file_operations 结构中的函数指针有 31 个，我删除了我们不熟悉的函数指针，我们了解原理，不需要搞清楚所有函数指针的功能。
那么，Linux 如何调用到这个 file_operations 结构中的函数呢？我以打开操作为例给你讲讲，Linux 的打开系统调用接口会调用 filp_open 函数，filp_open 函数的调用路径如下所示。
//filp_open
//file_open_name
//do_filp_open
//path_openat
static int do_o_path(struct nameidata *nd, unsigned flags, struct file *file)
{
struct path path;
int error = path_lookupat(nd, flags, &path);//解析文件路径得到文件inode节点
if (!error) {
audit_inode(nd->name, path.dentry, 0);
error = vfs_open(&path, file);//vfs层打开文件接口
path_put(&path);
}
return error;
}
int vfs_open(const struct path *path, struct file *file)
{
file->f_path = *path;
return do_dentry_open(file, d_backing_inode(path->dentry), NULL);
}
static int do_dentry_open(struct file *f, struct inode *inode,int (*open)(struct inode *, struct file *))
{
//略过我们不想看的代码
f->f_op = fops_get(inode->i_fop);//获取文件节点的file_operations
if (!open)//如果open为空则调用file_operations结构中的open函数
open = f->f_op->open;
if (open) {
error = open(inode, f);
}
//略过我们不想看的代码
return 0;
}
看到这里，我们就知道了，file_operations 结构的地址存在一个文件的 inode 结构中。在 Linux 系统中，都是用 inode 结构表示一个文件，不管它是数据文件还是设备文件。
到这里，我们已经清楚了文件操作函数以及它的调用流程。

驱动程序实例

我们想要真正理解 Linux 设备驱动，最好的方案就是写一个真实的驱动程序实例。下面我们一起应用前面的基础，结合 Linux 提供的驱动程序开发接口，一起实现一个真实驱动程序。
这个驱动程序的主要工作，就是获取所有总线和其下所有设备的名字。为此我们需要先了解驱动程序的整体框架，接着建立我们总线和设备，然后实现驱动程序的打开、关闭，读写操作函数，最后我们写个应用程序，来测试我们的驱动程序。

驱动程序框架

Linux 内核的驱动程序是在一个可加载的内核模块中实现，可加载的内核模块只需要两个函数和模块信息就行，但是我们要在模块中实现总线和设备驱动，所以需要更多的函数和数据结构，它们的代码如下。
#define DEV_NAME "devicesinfo"
#define BUS_DEV_NAME "devicesinfobus"
static int misc_find_match(struct device *dev, void *data)
{
printk(KERN_EMERG "device name is:%s\n", dev->kobj.name);
return 0;
}
//对应于设备文件的读操作函数
static ssize_t misc_read (struct file *pfile, char __user *buff, size_t size, loff_t *off)
{
printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n",__LINE__,__FUNCTION__);
return 0;
}
//对应于设备文件的写操作函数
static ssize_t misc_write(struct file *pfile, const char __user *buff, size_t size, loff_t *off)
{
printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n",__LINE__,__FUNCTION__);
return 0;
}
//对应于设备文件的打开操作函数
static int misc_open(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n",__LINE__,__FUNCTION__);
return 0;
}
//对应于设备文件的关闭操作函数
static int misc_release(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n",__LINE__,__FUNCTION__);
return 0;
}
static int devicesinfo_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *driver)
{
return !strncmp(dev->kobj.name, driver->name, strlen(driver->name));
}
//对应于设备文件的操作函数结构
static const struct file_operations misc_fops = {
.read = misc_read,
.write = misc_write,
.release = misc_release,
.open = misc_open,
};
//misc设备的结构
static struct miscdevice misc_dev = {
.fops = &misc_fops, //设备文件操作方法
.minor = 255, //次设备号
.name = DEV_NAME, //设备名/dev/下的设备节点名
};
//总线结构
struct bus_type devicesinfo_bus = {
.name = BUS_DEV_NAME, //总线名字
.match = devicesinfo_bus_match, //总线match函数指针
};
//内核模块入口函数
static int __init miscdrv_init(void)
{
printk(KERN_EMERG "INIT misc\n")；
return 0;
}
//内核模块退出函数
static void __exit miscdrv_exit(void)
{
printk(KERN_EMERG "EXIT,misc\n");
}
module_init(miscdrv_init);//申明内核模块入口函数
module_exit(miscdrv_exit);//申明内核模块退出函数
MODULE_LICENSE("GPL");//模块许可
MODULE_AUTHOR("LMOS");//模块开发者
一个最简单的驱动程序框架的内核模块就写好了，该有的函数和数据结构都有了，那些数据结构都是静态定义的，它们的内部字段我们在前面也已经了解了。这个模块一旦加载就会执行 miscdrv_init 函数，卸载时就会执行 miscdrv_exit 函数。

建立设备

Linux 系统也提供了很多专用接口函数，用来建立总线和设备。下面我们先来建立一个总线，然后在总线下建立一个设备。
首先来说说建立一个总线，Linux 系统提供了一个 bus_register 函数向内核注册一个总线，相当于建立了一个总线，我们需要在 miscdrv_init 函数中调用它，代码如下所示。
static int __init miscdrv_init(void)
{
printk(KERN_EMERG "INIT misc\n");
busok = bus_register(&devicesinfo_bus);//注册总线
return 0;
}
bus_register 函数会在系统中注册一个总线，所需参数就是总线结构的地址 (&devicesinfo_bus)，返回非 0 表示注册失败。现在我们来看看，在 bus_register 函数中都做了些什么事情，代码如下所示。
int bus_register(struct bus_type *bus)
{
int retval;
struct subsys_private *priv;
//分配一个subsys_private结构
priv = kzalloc(sizeof(struct subsys_private), GFP_KERNEL);
//bus_type和subsys_private结构互相指向
priv->bus = bus;
bus->p = priv;
//把总线的名称加入subsys_private的kobject中
retval = kobject_set_name(&priv->subsys.kobj, "%s", bus->name);
priv->subsys.kobj.kset = bus_kset;//指向bus_kset
//把subsys_private中的kset注册到系统中
retval = kset_register(&priv->subsys);
//建立总线的文件结构在sysfs中
retval = bus_create_file(bus, &bus_attr_uevent);
//建立subsys_private中的devices和drivers的kset
priv->devices_kset = kset_create_and_add("devices", NULL,
&priv->subsys.kobj);
priv->drivers_kset = kset_create_and_add("drivers", NULL,
&priv->subsys.kobj);
//建立subsys_private中的devices和drivers链表，用于属于总线的设备和驱动
klist_init(&priv->klist_devices, klist_devices_get, klist_devices_put);
klist_init(&priv->klist_drivers, NULL, NULL);
return 0;
}
我删除了很多你不用关注的代码，看到这里，你应该知道总线是怎么通过 subsys_private 把设备和驱动关联起来的（通过 bus_type 和 subsys_private 结构互相指向），下面我们看看怎么建立设备。我们这里建立一个 misc 杂项设备。misc 杂项设备需要定一个数据结构，然后调用 misc 杂项设备注册接口函数，代码如下。
#define DEV_NAME "devicesinfo"
static const struct file_operations misc_fops = {
.read = misc_read,
.write = misc_write,
.release = misc_release,
.open = misc_open,
};
static struct miscdevice misc_dev = {
.fops = &misc_fops, //设备文件操作方法
.minor = 255, //次设备号
.name = DEV_NAME, //设备名/dev/下的设备节点名
};
static int __init miscdrv_init(void)
{
misc_register(&misc_dev);//注册misc杂项设备
printk(KERN_EMERG "INIT misc busok\n");
busok = bus_register(&devicesinfo_bus);//注册总线
return 0;
}
上面的代码中，静态定义了 miscdevice 结构的变量 misc_dev，miscdevice 结构我们在前面已经了解过了，最后调用 misc_register 函数注册了 misc 杂项设备。
misc_register 函数到底做了什么，我们一起来看看，代码如下所示。
int misc_register(struct miscdevice *misc)
{
dev_t dev;
int err = 0;
bool is_dynamic = (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR);
INIT_LIST_HEAD(&misc->list);
mutex_lock(&misc_mtx);
if (is_dynamic) {//minor次设备号如果等于255就自动分配次设备
int i = find_first_zero_bit(misc_minors, DYNAMIC_MINORS);
if (i >= DYNAMIC_MINORS) {
err = -EBUSY;
goto out;
}
misc->minor = DYNAMIC_MINORS - i - 1;
set_bit(i, misc_minors);
} else {//否则检查次设备号是否已经被占有
struct miscdevice *c;
list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
if (c->minor == misc->minor) {
err = -EBUSY;
goto out;
}
}
}
dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);//合并主、次设备号
//建立设备
misc->this_device =
device_create_with_groups(misc_class, misc->parent, dev,
misc, misc->groups, "%s", misc->name);
//把这个misc加入到全局misc_list链表
list_add(&misc->list, &misc_list);
out:
mutex_unlock(&misc_mtx);
return err;
}
可以看出，misc_register 函数只是负责分配设备号，以及把 miscdev 加入链表，真正的核心工作由 device_create_with_groups 函数来完成，代码如下所示。
struct device *device_create_with_groups(struct class *class,
struct device *parent, dev_t devt,void *drvdata,const struct attribute_group **groups,const char *fmt, ...)
{
va_list vargs;
struct device *dev;
va_start(vargs, fmt);
dev = device_create_groups_vargs(class, parent, devt, drvdata, groups,fmt, vargs);
va_end(vargs);
return dev;
}
struct device *device_create_groups_vargs(struct class *class, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata,const struct attribute_group **groups,const char *fmt, va_list args)
{
struct device *dev = NULL;
int retval = -ENODEV;
dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL);//分配设备结构的内存空间
device_initialize(dev);//初始化设备结构
dev->devt = devt;//设置设备号
dev->class = class;//设置设备类
dev->parent = parent;//设置设备的父设备
dev->groups = groups;////设置设备属性
dev->release = device_create_release;
dev_set_drvdata(dev, drvdata);//设置miscdev的地址到设备结构中
retval = kobject_set_name_vargs(&dev->kobj, fmt, args);//把名称设置到设备的kobjext中去
retval = device_add(dev);//把设备加入到系统中
if (retval)
goto error;
return dev;//返回设备
error:
put_device(dev);
return ERR_PTR(retval);
}
到这里，misc 设备的注册就搞清楚了，下面我们来测试一下看看结果，看看 Linux 系统是不是多了一个总线和设备。
你可以在本课程的代码目录中，执行 make 指令，就会产生一个 miscdvrv.ko 内核模块文件，我们把这个模块文件加载到 Linux 系统中就行了。
为了看到效果，我们还必须要做另一件事情。 在终端中用 sudo cat /proc/kmsg 指令读取 /proc/kmsg 文件，该文件是内核 prink 函数输出信息的文件。指令如下所示。
#第一步在终端中执行如下指令
sudo cat /proc/kmsg
#第二步在另一个终端中执行如下指令
make
sudo insmod miscdrv.ko
#不用这个模块了可以用以下指令卸载
sudo rmmod miscdrv.ko
insmod 指令是加载一个内核模块，一旦加载成功就会执行 miscdrv_init 函数。如果不出意外，你在终端中会看到如下图所示的情况。
驱动测试
这说明我们设备已经建立了，你应该可以在 /dev 目录看到一个 devicesinfo 文件，同时你在 /sys/bus/ 目录下也可以看到一个 devicesinfobus 文件。这就是我们建立的设备和总线的文件节点的名称。

打开、关闭、读写函数

建立了设备和总线，有了设备文件节点，应用程序就可以打开、关闭以及读写这个设备文件了。
虽然现在确实可以操作设备文件了，只不过还不能完成任何实际功能，因为我们只是写好了框架函数，所以我们下面就去写好并填充这些框架函数，代码如下所示。
//打开
static int misc_open(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n",__LINE__,__FUNCTION__);//打印这个函数所在文件的行号和名称
return 0;
}
//关闭
static int misc_release(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n",__LINE__,__FUNCTION__);//打印这个函数所在文件的行号和名称
return 0;
}
//写
static ssize_t misc_write(struct file *pfile, const char __user *buff, size_t size, loff_t *off)
{
printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n",__LINE__,__FUNCTION__);//打印这个函数所在文件的行号和名称
return 0;
}
以上三个函数，仍然没干什么实际工作，就是打印该函数所在文件的行号和名称，然后返回 0 就完事了。回到前面，我们的目的是要获取 Linux 中所有总线上的所有设备，所以在读函数中来实现是合理的。
具体实现的代码如下所示。
#define to_subsys_private(obj) container_of(obj, struct subsys_private, subsys.kobj)//从kobject上获取subsys_private的地址
struct kset *ret_buskset(void)
{
struct subsys_private *p;
if(busok)
return NULL;
if(!devicesinfo_bus.p)
return NULL;
p = devicesinfo_bus.p;
if(!p->subsys.kobj.kset)
return NULL;
//返回devicesinfo_bus总线上的kset，正是bus_kset
return p->subsys.kobj.kset;
}
static int misc_find_match(struct device *dev, void *data)
{
struct bus_type* b = (struct bus_type*)data;
printk(KERN_EMERG "%s---->device name is:%s\n", b->name, dev->kobj.name);//打印总线名称和设备名称
return 0;
}
static ssize_t misc_read (struct file *pfile, char __user *buff, size_t size, loff_t *off)
{
struct kobject* kobj;
struct kset* kset;
struct subsys_private* p;
kset = ret_buskset();//获取bus_kset的地址
if(!kset)
return 0;
printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n",__LINE__,__FUNCTION__);//打印这个函数所在文件的行号和名称
//扫描所有总线的kobject
list_for_each_entry(kobj, &kset->list, entry)
{
p = to_subsys_private(kobj);
printk(KERN_EMERG "Bus name is:%s\n",p->bus->name);
//遍历具体总线上的所有设备
bus_for_each_dev(p->bus, NULL, p->bus, misc_find_match);
}
return 0;
}
正常情况下，我们是不能获取 bus_kset 地址的，它是所有总线的根，包含了所有总线的 kobject，Linux 为了保护 bus_kset，并没有在 bus_type 结构中直接包含 kobject，而是让总线指向一个 subsys_private 结构，在其中包含了 kobject 结构。
所以，我们要注册一个总线，这样就能拔出萝卜带出泥，得到 bus_kset，根据它又能找到所有 subsys_private 结构中的 kobject，接着找到 subsys_private 结构，反向查询到 bus_type 结构的地址。
然后调用 Linux 提供的 bus_for_each_dev 函数，就可以遍历一个总线上的所有设备，它每遍历到一个设备，就调用一个函数，这个函数是用参数的方式传给它的，在我们代码中就是 misc_find_match 函数。
在调用 misc_find_match 函数时，会把一个设备结构的地址和另一个指针作为参数传递进来。最后就能打印每个设备的名称了。

测试驱动

驱动程序已经写好，加载之后会自动建立设备文件，但是驱动程序不会主动工作，我们还需要写一个应用程序，对设备文件进行读写，才能测试驱动。我们这里这个驱动对打开、关闭、写操作没有什么实际的响应，但是只要一读就会打印所有设备的信息了。
下面我们来写好这个应用，代码如下所示。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define DEV_NAME "/dev/devicesinfo"
int main(void)
{
char buf[] = {0, 0, 0, 0};
int fd;
//打开设备文件
fd = open(DEV_NAME, O_RDWR);
if (fd < 0) {
printf("打开 :%s 失败!\n", DEV_NAME);
}
//写数据到内核空间
write(fd, buf, 4);
//从内核空间中读取数据
read(fd, buf, 4);
//关闭设备,也可以不调用，程序关闭时系统自动调用
close(fd);
return 0;
}
你可以这样操作：切换到本课程的代码目录 make 一下，然后加载 miscdrv.ko 模块，最后在终端中执行 sudo ./app，就能在另一个已经执行了 sudo cat /proc/kmsg 的终端中，看到后面图片这样形式的数据。
获取设备名称
上图是我系统中总线名和设备名，你的计算机上可能略有差异，因为我们的计算机硬件可能不同，所以有差异是正常的，不必奇怪。

重点回顾

尽管 Linux 驱动模型异常复杂，我们还是以最小的成本，领会了 Linux 驱动模型设计的要点，还动手写了个小小的驱动程序。现在我来为你梳理一下这节课的重点。
首先，我们通过查看 sys 目录下的文件层次结构，直观感受了一下 Linux 系统的总线、设备、驱动是什么情况。
然后，我们了解一些重要的数据结构，它们分别是总线、驱动、设备、文件操作函数结构，还有非常关键的 kset 和 kobject，这两个结构一起组织了总线、设备、驱动，最终形成了类目录文件这样的层次结构。
最后，我们建立一个驱动程序实例，从驱动程序框架开始，我们了解如何建立一个总线和设备，编写了对应的文件操作函数，在读操作函数中实现扫描了所有总线上的所有设备，并打印总线名称和设备名称，还写了个应用程序进行了测试，检查有没有达到预期的功能。
如果你对 Linux 是怎么在总线上注册设备和驱动，又对驱动和设备怎么进行匹配感兴趣的话，也可以自己阅读 Linux 内核代码，其中有很多驱动实例，你可以研究和实验，动手和动脑相结合，我相信你一定可以搞清楚的。

思考题

为什么无论是我们加载 miscdrv.ko 内核模块，还是运行 app 测试，都要在前面加上 sudo 呢？
欢迎你在留言区记录你的学习收获，也欢迎你把这节课分享给你身边的小伙伴，一起拿下 Linux 设备驱动的内容。
我是 LMOS，我们下节课见！
分享给需要的人，Ta购买本课程，你将得20元
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 写留言

精选留言(9)

  • neohope
    置顶
    2021-08-06
    关于驱动程序Demo 一、miscdrv是一个内核模块 1、四个操作函数，封装在file_operations结构中，包括： misc_open在打开设备文件时执行 misc_release在关闭设备文件时执行 misc_read在读取设备时执行 misc_write在写入设备时执行 file_operations又被封装在miscdevice中，在注册设备时传入 2、devicesinfo_bus_match函数用于总线设备的过滤，被封装在bus_type结构中 bus_type描述了总线结构，在总线注册时传入 3、module_init和module_exit声明入口和出口函数： miscdrv_init注册设备和总线，在安装内核模块时执行 miscdrv_exit反注册设备和总线，在卸载内核模块时执行 4、只有misc_read比较复杂： A、通过注册时的devicesinfo_bus获取kset，枚举kset中的每一个kobj B、对于每个kobj，通过container_of转换为subsys_private C、对于每个subsys_private，枚举其bus中每个设备，并通过misc_find_match函数进行处理 D、misc_find_match会在kmsg中输出设备名称 二、app.c 就是打开设备，写一下，读一下，关闭设备，主要是触发设备输出 三、执行顺序，需要两个Terminal，T1和T2 1、T1：make 2、T1：sudo insmod miscdrv.ko 3、T2：sudo cat /proc/kmsg 4、T1：sudo ./app 5、T2：ctrl+c 6、T1：sudo rmmod miscdrv.ko
    展开

    作者回复: 老铁 可谓 学习能力爆表

    8
  • neohope
    置顶
    2021-08-06
    关于数据结构 一、目录组织相关结构 kobject结构表示sysfs一个目录或者文件节点，同时提供了引用计数或生命周期管理相关功能； kset结构，可以看作一类特殊的kobject，可以作为kobject的集合；同时承担了发送用户消息的功能； Linux通过kobject和 kset来组织sysfs下的目录结构。但两者之间关系，却并非简单的文件和目录的关系。每个kobject的父节点，需要通过parent和kset两个属性来决定： A、无parent、无kset，则将在sysfs的根目录（即/sys/）下创建目录； B、无parent、有kset，则将在kset下创建目录；并将kobj加入kset.list； C、有parent、无kset，则将在parent下创建目录； D、有parent、有kset，则将在parent下创建目录，并将kobj加入kset.list； kobject和kset并不会单独被使用，而是嵌入到其他结构中发挥作用。 二、总线与设备结构 bus_type结构，表示一个总线，其中 subsys_private中包括了kset； device结构，表示一个设备，包括驱动指针、总线指针和kobject； device_driver结构，表示一个驱动，其中 driver_private包括了kobject； 上面说的kset和kobject的目录组织关系，起始就是存在于这些数据结构中的； 通过kset和kobject就可以实现总线查找、设备查找等功能； 三、初始化 全局kset指针devices_kset管理所有设备 全局kset指针bus_kset管理所有总线 初始化调用链路： kernel_init->kernel_init_freeable->do_basic_setup->driver_init ->devices_init设备初始化 ->buses_init总线初始化 四、设备功能函数调用 miscdevice结构，表示一个杂项设备； 其中 file_operations包含了全部功能函数指针； 以打开一个设备文件为例，其调用链路为： filp_open->file_open_name->do_filp_open->path_openat->do_o_path->vfs_open->do_dentry_open 通过file_operations获取了open函数指针，并进行了调用
    展开

    作者回复: 是的 哈哈

    8
  • 艾恩凝
    置顶
    2022-05-09
    以前作为使用者去写驱动，现在以提供者的角度去分析驱动，又来到了熟悉的file_operations结构了，写过简单的内核2.6 和 3.4版本的驱动，每个版本都稍有区别，盲猜这个是5版本的，毕竟有些陌生的函数，刚才看到了一个评论驱动是如何操作硬件的，来个最简单的按键驱动就知道了，这还没谈谈设备树，设备树也应该谈谈，到底是哪个大聪明想到的设备树
    共 1 条评论
    1
  • 青玉白露
    2021-07-19
    在Linux系统中，sudo可以获取超级用户的权利，它之后的命令可以在内核态下进行工作。 而加载miscdrv.ko模块和app测试都需要在内核态下进行。

    作者回复: 是的

    共 2 条评论
    5
  • pedro
    2021-07-19
    加载内核模块，使用内核驱动，得 sudo 权限

    作者回复: 哈哈 这问题又太简单了

    2
  • Zhang
    2022-06-25
    终于看到这了，看到曙光了感觉，打个卡，感觉今天课后作业简单了

    编辑回复: 6666，进展很快嘛，继续加油！

  • Geek_Lawrence
    2022-01-29
    驱动程序仍然是“软件”部分，“软件”如何驱动“硬件”，这部分能否更细致点，想了解下驱动程序是如何连接硬件并且驱动硬件工作的，其更加底层的工作原理是什么呢？

    作者回复: 那你需要了解每一种设备的编程细节 ，这通常需要熟读每一种设备的编程数据手册

    1
  • Mingjie
    2021-11-28
    老师，HDMI驱动是属于哪类驱动设备？我觉得是块类型设备，不是有显存这个说法嘛，我想的对吗

    作者回复: 属于是MISC

    共 2 条评论
  • 驰往
    2021-08-31
    既陌生又熟悉的代码。曾几何时，大学的时候就是从platform device入手，深入学习驱动设备模型，然而由于工作环境，越工作越上层，最终没有踏入内核这片圣地。如今再学操作系统，希望能够借此机会，了却当年的初心😄。

    作者回复: 哈哈 程序员的三大浪漫之一