Linux驱动开发笔记(十三)Sysfs文件系统

文章目录

  • 前言
  • 一、Sysfs
    • 1.1 Sysfs的引入
    • 1.2 Sysfs的目录结构
    • 1.2 Sysfs的目录详解
      • 1.2.1 devices
      • 1.2.2 bus
      • 1.2.3 class
      • 1.2.4 devices、bus、class目录之间的关系
      • 1.2.5 其他子目录
  • 二、Sysfs使用
    • 2.1 核心数据结构
    • 2.2 相关函数
      • 2.2.1 kobject_create_and_add
      • 2.2.2 kobject_put()
      • 2.2.3 kobject_get()
      • 2.2.4 sysfs_create_file
    • 2.3 设计思路


前言

  前面章节驱动学习中,我们测试驱动时经常使用/sys目录下文件,我们本章就简单介绍下Sysfs文件系统。

一、Sysfs

1.1 Sysfs的引入

  Sysfs是Linux内核的一种虚拟文件系统,用于导出内核对象的属性和状态,使用户空间能够方便地访问和管理这些信息。Sysfs在Linux内核2.6版本中引入,旨在替代和扩展早期的proc文件系统。它提供了一种统一的接口,用于查看和操作设备、驱动程序、文件系统等内核对象。Sysfs采用层次化的目录结构,反映了内核对象之间的关系,目录和文件分别表示内核对象及其属性。
  内核对象(如设备、驱动程序等)在sysfs中被表示为目录,目录下的文件表示对象的属性。这些文件通常是只读的,但有些也可以通过写操作进行配置。
  通过sysfs,用户可以统一地访问不同类型的内核信息,而不需要关心底层实现细节。Sysfs内容会随着系统硬件配置的变化动态更新。例如,插拔设备会导致相应的sysfs目录和文件创建或删除。

1.2 Sysfs的目录结构

  Sysfs文件系统是一种虚拟文件系统,也就是文件系统中文件不对应硬盘上任何文件,存在于内存中,其通常挂载在/sys目录下,主要目录包括:

/sys/devices:表示系统中的物理设备,每个子目录对应一个设备。
/sys/class:表示系统中的设备类别(如网络设备、块设备等),子目录按类别分类。
/sys/block:表示块设备(如硬盘、USB存储设备等)。
/sys/bus:表示系统总线类型(如PCI、USB等),每个子目录对应一个总线。
/sys/kernel:表示内核参数和信息,如调度器参数、内核模块等。
/sys/module:表示加载的内核模块,每个子目录对应一个模块,包含模块参数和状态信息。

  Sysfs是通过内核中的对象模型(kobject)实现的。每个kobject都可以在sysfs中创建一个对应的目录,kobject的属性(kobj_attribute)则映射为sysfs中的文件。通过定义和注册kobject和kobj_attribute,内核模块可以在sysfs中创建自己的条目。这些目录是在子系统注册kobject核心的系统启动时刻产生的, 当它们被初始化以后, 它们开始搜寻在各自的目录内注册了的对象。 一个kobject对应一个目录,包含的对象属性对应一个文件,文件只支持 目录、 普通文件 (文本或二进制文件)和 符号链接文件三种类型。

1.2 Sysfs的目录详解

1.2.1 devices

  devices目录反映系统中所有物理设备及其层次结构,设备按照硬件拓扑结构组织,表示设备的物理连接关系。/sys/devices是内核对系统中所有设备的分层次表达模型, 也是/sys文件系统管理设备的最重要的目录结构。其目录结构如下:

  • 系统设备:如 CPU、系统内存等。
  • 总线设备:例如 PCI、USB、SCSI 等设备。
  • 虚拟设备:如虚拟网络设备。

1.2.2 bus

  bus目录包含系统中所有已注册总线类型的子目录,每个子目录表示一种总线类型,例如 PCI、USB、I2C 等。这里是设备按照总线类型分层放置的目录结构, 每个子目录(总线类型)下包含两个子目录——devices和drivers文件夹;其中devices下是该总线类型下的所有设备, 而这些设备都是符号链接,它们分别指向真正的设备(/sys/devices/下);如下图bus下的usb总线中的device则是Devices目 录下/pci()/dev 0:10/usb2的符号链接。而drivers下是所有注册在这个总线上的驱动,每个driver子目录下 是一些可以观察和修改的driver参数。其目录结构如下:

  • devices:列出所有连接到该总线的设备。
  • drivers:列出与该总线相关的所有驱动程序。
  • drivers_autoprobe 和 drivers_probe:用于自动或手动驱动程序绑定。
  • uevent:用于触发 uevent 事件。

1.2.3 class

  class 目录按设备类型对设备进行分类,每个子目录表示一种设备类型,例如网络设备、块设备、字符设备等。其目录结构如下:

  • net:表示所有网络接口。
  • block:表示所有块设备。
  • tty:表示所有终端设备。

注:大家可能注意到在/sys/class目录下也存在一个block子目录,这是由于历史遗留因素而导致的。 块设备现在是已经移到/sys/class/block, 旧的接口/sys/block为了向后兼容保留存在,现在该目录下的都是链接文件

1.2.4 devices、bus、class目录之间的关系

在这里插入图片描述

  • /sys/devices 目录表示设备的物理连接和层次结构,而 /sys/class 目录按设备功能或类型对设备进行逻辑分类。
  • /sys/bus 目录表示系统中的各种总线类型,每种总线都有一个子目录,包含该总线上的设备(链接到 /sys/devices)和驱动程序信息。
  • /sys/devices 中的设备可能会在 /sys/bus/<bus_type>/devices 下有一个符号链接,反映设备与总线的关系。/sys/class 提供了按设备类型的视图,使用户能够方便地找到特定类型的设备,而无需了解设备的具体物理连接位置。

  以USB 存储设备插入系统为例,以下是目录之间关系的具体示例:

//表示 USB 存储设备的物理连接路径
ls /sys/devices/pci0000:00/0000:00:14.0/usb1/1-1//目录中包含指向上述设备的符号链接,表示它是一个 USB 设备
ls /sys/bus/usb/devices//目录中包含该设备的逻辑分类信息,表示它是一个块设备
ls /sys/class/block/sda

在这里插入图片描述

1.2.5 其他子目录

  在Sysfs文件系统中最重要的就是以上三个子目录,其他子目录我们简单了解即可。
firmware目录
  该目录包含具有固件对象和属性的子目录,关于内核的固件加载和firmware驱动,有兴趣可以自己去了解下。其目录结构如下:

  • devicetree:描述加载设备树信息,根节点对应base目录,每一个设备树节点对应一个目录,每个属性对应一个文件
  • fdt:原始dtb文件,是uboot传给内核的设备树文件,可以使用hexdump -C查看

fs目录
  这里按照设计是用于描述系统中所有文件系统,包括文件系统本身和按文件系统分类存放的已挂载点,描述已注册的文件系统视图, 但目前只有 fuse,ext4 等少数文件系统支持 sysfs 接口,一些传统的虚拟文件系统(VFS)层次控制参数仍然在sysctl(/proc/sys/fs) 接口中。
kernel目录
  该目录是内核所有可调整参数的位置,有些内核可调整参数仍然位于sysctl(/proc/sys/kernel)接口中。
module目录
  该目录有系统中所有模块的信息,不论这些模块是以内联(inlined)方式编译到内核映像文件(vmlinuz)中还是编译为外部模块(.ko文件), 都可能会出现在/sys/module目录下。
  编译为外部模块(.ko文件)在加载后,会/sys/module/出现对应的模块文件夹,在这个文件夹下会出现一些属性文件和属性目录, 表示此外部模块的一些信息,如版本号、加载状态、所提供的驱动程序等。
  编译进内核的模块则只在当它有非0属性的模块参数时会出现对应的/sys/module/, 这些模块的可用参数会出现在/sys/modules/parameters/中, 如:/sys/module/printk/parameters/time 这个可读写参数控制着内联模块printk在打印内核消息时是否加上时间前缀。
power目录
  该目录下是系统中电源选项,包含电源管理子系统提供的统一接口文件。 一些属性文件可以用于控制整个机器的电源状态,如可以向其中写入控制命令进行关机、重启等操作。

二、Sysfs使用

2.1 核心数据结构

  kobject是 Linux内核中的一个核心数据结构,用于表示内核中的对象并支持内核对象的引用计数、生命周期管理和对象间关系管理。它主要用于内核的设备模型(device model)以及 sysfs 文件系统的实现。kobject 提供了一个通用的机制来管理对象,这样不同的子系统可以共享一些通用的代码来处理对象。

struct kobject {const char        *name;struct list_head  entry;struct kobject    *parent;struct kset       *kset;struct kobj_type  *ktype;struct kernfs_node *sd;struct kref       kref;unsigned int      state_initialized:1;unsigned int      state_in_sysfs:1;unsigned int      state_add_uevent_sent:1;unsigned int      state_remove_uevent_sent:1;unsigned int      uevent_suppress:1;
};
  • 关键成员解释
    • name:kobject 的名字,用于在 sysfs 文件系统中表示对象的名字。
    • parent:指向父对象的指针,用于形成层次结构,表示对象之间的包含关系。
    • kref:内核引用计数机制的对象,用于确保 kobject 在引用计数为零之前不会被释放。
    • ktype:指向 kobj_type 结构体的指针,kobj_type 定义了 kobject 的特定操作,如释放函数、sysfs 文件操作等。
    • kset:指向 kset 结构体的指针,一个 kset 是一组相关 kobject 的集合,可以用来组织和管理一组相关的对象。
    • sd:指向 kernfs_node 结构体的指针,表示 sysfs 中的目录项。
    • state_initialized 等标志位:用于跟踪对象的状态,如是否已初始化、是否已添加到 sysfs 中等。

  kobj_attribute是一个用于为kobject(内核对象)创建属性的结构体。这些属性可以通过sysfs文件系统进行读取或写入,sysfs提供了一种机制,让内核子系统、设备驱动程序和其他内核模块可以向用户空间导出信息。kobj_attribute结构体定义在linux/kobject.h中,包含以成员:

  • struct attribute attr: 一个通用的属性结构体,包含属性的名称和权限模式。
  • ssize_t (*show)(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, char *buf): 指向显示方法的函数指针,当读取属性时调用该方法。
  • ssize_t (*store)(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, const char *buf, size_t count): 指向存储方法的函数指针,当写入属性时调用该方法。

  __ATTR宏用于方便地定义struct attribute类型的结构体成员。它通常与kobj_attribute结构体一起使用,来定义sysfs属性。

#define __ATTR(_name, _mode, _show, _store) { \.attr = { .name = __stringify(_name), .mode = _mode }, \.show   = _show, \.store  = _store, \
}
  • 参数说明
    • _name:属性的名称。
    • _mode:属性的权限模式,如0644,表示所有者可读写,组和其他用户可读。
    • _show:指向显示函数的指针,该函数在读取属性时被调用。
    • _store:指向存储函数的指针,该函数在写入属性时被调用。

2.2 相关函数

  更多的函数可以参考内核源码include/linux/sysfs.h文件。

2.2.1 kobject_create_and_add

//函数用于创建、初始化并将kobject添加到系统中
struct kobject *kobject_create_and_add ( const char *name, struct kobject *parent);
  • 参数
    • name:创建kobj的名字
    • parent:指定父kobject,实际就是在那个目录下创建一个目录。比如为kernel_kobj,将在/sys/kernel目录下创建目录,如果为NULL,将在/sys下创建。
  • 返回值
    • 成功:指向新创建并添加的 kobject 结构体的指针
    • 失败:NULL

2.2.2 kobject_put()

//用于减少kobject的引用计数,当引用计数降为零时会释放该对象。
void kobject_put(struct kobject *kobj);
  • 参数:
    • kobj:指向要减少引用计数的 kobject 结构体。

2.2.3 kobject_get()

//用于增加kobject的引用计数
struct kobject *kobject_get(struct kobject *kobj);
  • 参数:
    • kobj:指向要增加引用计数的 kobject 结构体。
  • 返回值:
    • 成功:返回 kobj,或者如果 kobj 为 NULL 则返回 NULL。

2.2.4 sysfs_create_file

//创建一个文件
int sysfs_create_file ( struct kobject *  kobj, const struct attribute * attr);
  • 参数:
    • kobj:我们创建的kobject
    • attr:属性描述
  • 返回值:
    • 成功:0
    • 错误:错误码

2.3 设计思路

  在内核中,创建和使用 kobject 通常需要以下步骤:

  • 初始化并添加到 sysfs:使用 kobject_create_and_add函数创建kobject并添加到sysfs文件系统中。
  • 增加引用计数:使用 kobject_get() 增加引用计数。
  • 减少引用计数并释放:使用 kobject_put() 减少引用计数,当引用计数降到零时,kobject 会被释放。
//示例
#include <linux/kobject.h>
#include <linux/sysfs.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>static struct kobj_attribute foo_attribute = __ATTR(foo, 0664, foo_show, foo_store);
static struct kobject *example_kobj;static ssize_t foo_show(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, char *buf) {return sprintf(buf, "%d\n", 123);  // 显示的示例值
}static ssize_t foo_store(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr, const char *buf, size_t count) {// 处理存储的示例逻辑int val;sscanf(buf, "%d", &val);printk(KERN_INFO "新值: %d\n", val);return count;
}static int __init example_init(void) {int error;example_kobj = kobject_create_and_add("example_kobject", kernel_kobj);if (!example_kobj)return -ENOMEM;error = sysfs_create_file(example_kobj, &foo_attribute.attr);if (error) {kobject_put(example_kobj);}return error;
}static void __exit example_exit(void) {kobject_put(example_kobj);
}module_init(example_init);
module_exit(example_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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