Linux驱动开发笔记（十三）Sysfs文件系统

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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则是Linux内核中的一种特殊虚拟文件系统，它用来向用户空间提供内核设备和驱动程序的信息。因此，sysfs是一种具体的文件系统实现，它利用了VFS提供的抽象接口来展示内核数据。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

• /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

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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