Linux驱动学习笔记（十）

热插拔

1.热插拔：就是带电插拔，即允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下拆卸或安装硬盘，板卡等设备。热插拔是内核和用户空间之间，通过调用用户空间程序实现交互来实现的，当内核发生了某种热拔插事件时，内核就会调用用户空间的程序来实现交互。热插拔机制有devfs、udev和mdev，devfs如今已经不再使用。嵌入式设备上一般使用mdev，X86上一般用udev，当然嵌入式设备上也可以用udev，mdev是udev的简化版本。udev是基于netlink机制实现的，通过udevd守护进程监听内核发送的uevent事件来执行相应的热插拔操作。而mdev是基于uevent helper机制，内核产生的uevent会调用uevent_helper所指的用户程序medv来执行热拔插动作。

2.int kobject_uevent(struct kobject *kobj, enum kobject_action action);函数可用来在内核中向用户空间发送设备事件通知uevent，触发用户态的udev/mdev等设备管理工具响应设备状态变化，该函数执行成功返回0。其中，kobj是关联的内核对象指针，代表触发事件的设备或子系统；action是发生的事件类型，包括下图所示的几种事件：

udevadm是Linux系统中用于管理和调试udev设备管理器的核心命令行工具，它允许用户直接与udev交互，查询设备信息、触发事件、监控设备变动或调试规则。使用方法为：

例如可以使用udevadm monitor命令监听所有内核设备事件，示例如下：

kobject_uevent函数向用户态发送事件时会调用kobject_uevent_env函数，如下图：

kobject_uevent_env函数可用来发送带有环境变量数据的事件。kobject_uevent_env函数会根据事件的类型进行对应的操作，但是这一流程是借助kset来实现的（uevent是通过netlink socket发送给用户空间的应用程序的，而netlink socket是基于kset的），所以发送事件的kobject必须属于某个kset，否则会导致事件发送失败，如下图：

如上图所示，在获取到发送事件的kobject所属的kset以及该kset的事件操作uevent_ops后，kobject_uevent_env函数依次执行这些操作，如下图：

最终kobject_uevent_env函数会广播要发送的事件，以便用户空间的应用程序可以接收并处理这些事件（对应udev）。另外如果定义了CONFIG_UEVENT_HELPER则会调用用户空间的uevent_helper程序（可将其设置成mdev）来处理uevent事件，如下图：

3.kset->uevent_ops中定义了三个函数，如下图：

其中，filter函数用于过滤，即当一个kobject想要向用户空间发送uevent时，由filter函数决定这个uevent是否应该被发送；name函数用于为uevent生成一个特定的名称字符串，这个名称会被添加到uevent的环境变量中，帮助用户空间应用程序识别事件来源；uevent函数来填充或修改发送到用户空间的uevent消息中的环境变量。一个示例如下图：

4.Linux提供了多种方式实现内核和用户空间的数据交换，比如系统调用、sysfs等，但是这些通信机制均为单工通信机制。而netlink是基于socket通信机制，具有双工通信的特点，可以很好的满足内核和用户空间的数据交换。因为netlink是基于socket通信机制，所以需要在用户空间使用socket接口实现。首先介绍几个函数：

• int socket(int domain, int type, int protocol)：用于创建套接字。其中domain表示所用协议，使用netlink机制时将其设置为AF_NETLINK；type表示套接字的类型，指定通信的方式和特性，使用netlink机制时将其设置为SOCK_RAW；protocol表示套接字使用的协议，通常设置为0，让系统自动选择适当的协议，在接收uevent时可将其设置为NETLINK_KOBJECT_UEVENT；该函数调用成功返回创建的套接字对应的文件描述符，失败返回-1并设置errno
• int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)：用于将创建的套接字与指定的地址结构绑定。其中sockfd为套接字对应的文件描述符；addr为传入参数，在接收uevent时通常使用sockaddr_nl结构体（强转为sockaddr类型），这个结构体成员包括协议族（这里应为AF_NETLINK），当前进程PID；addrlen为addr的长度；该函数绑定成功返回0，失败返回-1并设置errno
• ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags)：用于接收内核发出的uevent事件。注意与一般网络编程不同，在netlink中是不用调用listen函数的，可以直接使用recv函数进行接收。其中sockfd为套接字对应的文件描述符；buf指向接收数据的缓冲区；len指定要读取的数据的字节数；flags指定一些标志用于控制如何接收数据，通常设置为0；成功情况下该函数返回实际读取到的字节数

netlink需要在用户空间循环读取内核发来的uevent，下图是一个例子（可参考讯为Linux驱动视频第十期P5）：

5.对于uevent helper机制，要想在kobject_uevent_env函数中调用用户空间的uevent_helper程序来处理uevent事件，则需要定义CONFIG_UEVENT_HELPER，并且需要定义uevent_helper的路径（即CONFIG_UEVENT_HELPER_PATH的值），如下图：

有以下几种配置方法（可参考讯为Linux驱动视频第十期P6）：

• 在编译内核时直接配置CONFIG_UEVENT_HELPER_PATH：make menuconfig打开图形化配置界面后，选中Device Drivers->Generic Driver Options->Support for uevent helper后配置path to uevent helper，即配置uevent_helper的路径（例如可将其设置为/sbin/mdev）
• make menuconfig打开图形化配置界面后，依次选中：Device Drivers->Generic Driver Options->Support for uevent helper（这一步是打开宏定义CONFIG_UEVENT_HELPER）、File systems->Pseudo fllesystems->/proc file system support、File systems->Pseudo fllesystems-> Sysctl support(/proc/sys)、Networking support。选中上述几个配置之后，就可以通过命令echo /sbin/mdev > /sys/kernel/uevent_helper对uevent_helper进行设置，或通过命令echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug对uevent_helper进行设置（这两种设置方法实际就是通过对属性文件进行读写实现的）

一个简单的mdev程序如下图所示（可参考讯为Linux驱动视频第十期P7）：

需要注意的是，kobject_uevent_env函数中调用的call_usermodehelper_exec函数是一个在内核空间中调用用户空间程序的函数，该函数执行用户空间程序时，将其作为子进程运行，并将其标准输入、标准输出和标准错误输出重定向到相应的文件描迷符。因此如果在用户空间程序中使用printf打印信息，这些信息将被输出到标准输出文件描述符(文件描述符1)，而不是终端。因此需要在调用call_usermodehelper_exec时将标准输出重定向到终端，这样才可以在终端上看到printf输出的信息。

6.实现U盘热插拔的几个步骤，采用udev（可参考讯为Linux驱动视频第十期P8）：

• 首先需要在编译源码时配置所使用的Linux系统支持udev，例如对于buildroot文件系统，执行make menuconfig之后将System configuration->/dev management设置为Dynamic using devtmpfs + eudev表示使用udev
• 启动系统后在/etc/udev/rules.d/目录下创建一个001.rules文件（若没有rules.d/目录则创建），其中001表示第一个规则文件，.rules是固定后缀。向在001.rules文件写入以下内容：

  KERNEL=="sd[a-z][0-9]",SUBSYSTEM=="block",ACTION=="add",RUN+="/etc/udev/rules.d/usb/usb-add.sh %k"
  SUBSYSTEM=="block",ACTION=="remove",RUN+="/etc/udev/rules.d/usb/usb-remove.sh"

  第一行表示当新增一个usb设备，执行/etc/udev/rules.d/usb/usb-add.sh脚本文件，并传入参数sd[a-z][0-9]，第二行表示当移除一个usb设备，执行/etc/udev/rules.d/usb/usb-remove.sh脚本文件
• 分别创建/etc/udev/rules.d/usb/usb-add.sh和/etc/udev/rules.d/usb/usb-remove.sh文件，分别写入以下内容：

  #!/bin/sh/bin/mount -t vfat /dev/$1 /mnt
  sync

  #!/bin/shsync
  /bin/unmount -l /mnt

还可以在/lib/udev/rules.d/目录下创建规则文件，但是/etc/udev/rules.d/比/lib/udev/rules.d的优先级高。TF卡的udev热插拔实现方式和U盘类似，只是U盘的节点名格式为sd[a-z][0-9]，而TF卡的节点名格式为mmcblk[0-9]p[0-9]。采用mdev实现U盘和TF卡的热插拔步骤与udev类似，可参考讯为Linux驱动视频第十期P10、P11。

7.USBmount是一个用于自动挂载USB存储设备的工具，它可以在Linux系统中自动挂载插入的USB存储设备并在设备拔出时自动卸载。USBmount的工作原理是通过udev监视USB设备的插拔事件，并在检测到设备插入时自动挂载设备，检测到设备拔出时自动卸载设备。USBmount不需要手动挂载或卸载USB存储设备，因此可以方便地在嵌入式系统中使用（USBmount使用方式可参考讯为Linux驱动视频第十期P12）。