Linux设备模型：基本概念

Linux操作系统实验总结分析报告从系统的⾓度分析影响程序执⾏性能的因素1.Linux系统概念模型从全局的⾓度来看，Linux系统分为内核空间和⽤户空间，但毫⽆疑问内核空间是Linux系统的核⼼，因为内核负责管理整个系统的进程、内存、设备驱动程序、⽂件，决定着系统的性能和稳定性。

于是从这个⾓度我构建的Linux系统的概念模型如下图所⽰：此模型将Linux系统主要划分为四个模块：内存管理、进程管理、设备驱动程序、⽂件系统。

这四个部分也是⼀个操作系统最基本也是最重要的功能。

2.概念模型解析2.1 内存管理Linux系统采⽤虚拟内存管理技术，使得每个进程都有各⾃互不⼲涉的进程地址空间。

该空间是块⼤⼩为4G的线性虚拟空间，⽤户所看到和接触到的都是该虚拟地址，⽆法看到实际的物理内存地址。

利⽤这种虚拟地址不但能起到保护操作系统的效果（⽤户不能直接访问物理内存），⽽且更重要的是，⽤户程序可使⽤⽐实际物理内存更⼤的地址空间。

内存管理主要有分为如下⼏个功能：地址映射、虚拟地址管理、物理内存管理、内核空间管理、页⾯换⼊换出策略和⽤户空间内存管理，这些模块的架构图如下所⽰：2.2 进程管理进程管理是Linux系统⾮常重要的⼀部分，进程管理虽然不像内存管理、⽂件系统等模块那样复杂，但是它与其他⼏个模块的联系是⾮常紧密的。

进程管理主要包括进程的创建、切换、撤销和进程调度。

2.2.1 进程的创建、切换、撤销进程的创建：在Linux编程中，⼀般采⽤fork()函数来创建新的进程，当然，那是在⽤户空间的函数，它会调⽤内核中的clone()系统调⽤，由clone()函数继续调⽤do_fork()完成进程的创建。

整个进程创建过程可能涉及到如下函数：fork()/vfork()/_clone----------->clone()--------->do_fork()---------->copy_process()进程的切换：进程切换⼜称为任务切换、上下⽂切换。

Linux在2.6版本引入了设备驱动模型，设备驱动模型负责统一实现和维护一些特性，诸如：热插拔、对象生命周期、用户空间和驱动空间的交互等基础设施1.设备驱动模型基本概念设备驱动模型主要包含：类（class）、总线（bus）、设备（device）、驱动（driver），它们的本质都是内核中的几种数据结构的“实例”∙类的本质是class结构体类型，各种不同的类其实就是class的各种实例∙总线的本质是bus_type结构体类型，各种不同的总线其实就是bus_type的各种实例∙设备的本质是device结构体类型，各种不同的设备其实就是device的各种实例∙驱动的本质是device_driver结构体类型，各种不同的驱动其实就是device_driver的各种实例2.sysfs基本概念sysfs其实就是/sys目录，其主要作用就是：展示设备驱动模型中各组件的层次关系，并将各组件的本体——内核中的数据结构以文件形式呈现，方便用户层查看及操作3./sys目录结构与设备驱动模型∙/sys目录结构很好的展示了驱动设备模型，如图：∙注意：同一个设备可能在/sys中存在多个设备文件，比如一颗led的设备文件可能在/sys/bus/platform/devices/led1，同时还有一个在/sys/class/leds/led1。

虽然他们都是同一颗led的设备文件，但是他们的来源、机制、原理都是不同的，不能混为一谈4.各组件的特性与联系∙kobject：设备驱动模型各实例的最基本单元，提供一些公用型服务如：提供该实例在sysfs中的操作方法（show和store）；提供在sysfs中以文件形式存在的属性，其实就是应用接口；提供各个实例的层次架构，让sysfs中弄出目录结构。

设备驱动模型中每个实例内部都会包含一个kobject∙总线、设备、驱动，这三者有着密切的联系。

在内核中，设备和驱动是分开注册的，注册设备的时候，并不需要驱动已经存在，而驱动被注册的时候，也不需要对应的设备已经被注册。

驱动开发面试题目及答案1. 什么是驱动开发（Driver Development）？驱动开发是指为操作系统提供硬件设备的控制程序。

驱动程序与硬件设备之间通过操作系统的驱动模块进行交互，实现设备的初始化、数据传输、中断处理和错误处理等功能。

2. 驱动开发的基本要求有哪些？- 具备良好的编程基础和扎实的操作系统原理知识- 熟悉硬件电路和设备的工作原理- 熟悉特定硬件设备的相关规范和协议- 具备调试和故障排除的能力- 具备团队合作和沟通能力3. 驱动开发的流程包括哪些步骤？- 需求分析和规划：确定需要开发的驱动类型、支持的硬件设备和操作系统版本，制定开发进度和计划。

- 硬件适配和端口配置：了解硬件设备的接口特征和相关寄存器，编写初始化代码和配置驱动程序与设备的通信接口。

- 设备驱动程序编写：根据硬件设备的规范和操作系统的驱动接口，编写设备驱动程序，包括设备初始化、数据传输、中断处理等。

- 调试和测试：通过调试工具和测试用例验证驱动程序的正确性和性能，修复错误和优化程序。

- 集成和发布：将开发好的驱动程序集成到操作系统中，并进行安装和发布，确保程序能够正常运行。

4. 驱动开发中常见的编程语言有哪些？- C语言：大部分驱动程序都是使用C语言编写的，因为其具有良好的效率和可移植性。

- 汇编语言：部分特定的硬件设备驱动程序可能需要使用汇编语言编写，以直接操作硬件寄存器和指令。

- C++语言：在一些需要更高级别的抽象和封装的场景下，可以选择使用C++语言开发驱动程序。

5. 驱动开发中涉及的常用接口和框架有哪些？- Windows驱动程序框架（WDF）：用于开发驱动程序的框架，提供了一系列的函数和模型，简化了驱动程序的开发和维护。

- Linux设备模型（Device Model）：用于将设备抽象为设备树的形式，并提供一组API进行设备驱动程序的开发。

- Android驱动开发框架：用于在Android操作系统上开发设备驱动程序的框架，提供了一系列Java和C/C++函数库。

Linux设备模型的关键之一：Uevent1. Uevent的功能Uevent是Kobject的一部分，用于在Kobject状态发生改变时，例如增加、移除等，通知用户空间程序。

用户空间程序收到这样的事件后，会做相应的处理。

该机制通常是用来支持热拔插设备的，例如U盘插入后，USB相关的驱动软件会动态创建用于表示该U盘的device结构（相应的也包括其中的kobject），并告知用户空间程序，为该U盘动态的创建/dev/目录下的设备节点，更进一步，可以通知其它的应用程序，将该U盘设备mount到系统中，从而动态的支持该设备。

2. Uevent在kernel中的位置下面图片描述了Uevent模块在内核中的位置：由此可知，Uevent的机制是比较简单的，设备模型中任何设备有事件需要上报时，会触发Uevent提供的接口。

Uevent模块准备好上报事件的格式后，可以通过两个途径把事件上报到用户空间：一种是通过kmod模块，直接调用用户空间的可执行文件；另一种是通过netlink通信机制，将事件从内核空间传递给用户空间。

注1：有关kmod和netlink，会在其它文章中描述，因此本文就不再详细说明了。

3. Uevent的内部逻辑解析3.1 Source Code位置Uevent的代码比较简单，主要涉及kobject.h和kobject_uevent.c两个文件，如下：include/linux/kobject.hlib/kobject_uevent.c3.2 数据结构描述kobject.h定义了uevent相关的常量和数据结构，如下：kobject_action1: /* include/linux/kobject.h, line 50 */2: enum kobject_acTIon {。

linux期末知识点总结一、Linux的概述1.1 Linux的起源和发展历史Linux是一种自由和开放源代码的类Unix操作系统。

Linux的起源可以追溯到1991年，由芬兰计算机科学家Linus Torvalds在赫尔辛基大学开始开发。

随着开源社区的支持和参与，Linux在逐渐成为世界上使用最广泛的操作系统之一。

1.2 Linux的特点Linux具有开放源代码、兼容性强、系统功能强大、安全性高、稳定性好等特点。

与Windows等闭源系统相比，Linux能够自由访问和修改源代码，因此具有更高的灵活性和可定制性。

1.3 Linux的应用领域Linux主要应用于服务器、嵌入式设备、超级计算机、移动设备等领域。

随着开源软件的发展和普及，Linux也在桌面操作系统领域逐渐崭露头角。

二、Linux的基本概念2.1 内核和ShellLinux操作系统的核心是内核，它负责管理硬件、文件系统、网络和进程等系统资源。

Shell是用户与内核进行交互的接口，用户可以通过Shell来执行命令、管理文件和进程等。

2.2 文件系统和目录结构Linux使用一种层次化的文件系统结构，以根目录“/”为起点，所有文件和目录都从根目录开始组织。

Linux的文件系统使用树状结构，用户可以通过目录来管理文件，以提高文件的组织和管理效率。

2.3 用户和权限Linux系统中的用户分为普通用户和超级用户(root)两种，普通用户只能访问自己的文件和目录，而超级用户对系统的所有资源都有完全访问权限。

Linux还使用权限控制来管理文件和目录的访问权限，分为读、写和执行三种权限。

2.4 进程管理Linux系统中的进程是指正在运行的程序的实例，通过进程管理可以查看和管理系统中正在运行和等待运行的进程。

用户可以使用命令来创建、终止和调度进程，以实现任务的管理和协调。

2.5 网络和通信Linux系统支持网络通信和数据传输，用户可以通过网络连接来实现远程操作和数据传输。

Linux设备驱动程序学习（15）-Linux设备模型（热插拔、mdev 与firmware）热插拔有2 个不同角度来看待热插拔：从内核角度看，热插拔是在硬件、内核和内核驱动之间的交互。

从用户角度看，热插拔是内核和用户空间之间，通过调用用户空间程序（如hotplug、udev 和mdev）的交互。

当需要通知用户内核发生了某种热插拔事件时，内核才调用这个用户空间程序。

现在的计算机系统，要求Linux 内核能够在硬件从系统中增删时，可靠稳定地运行。

这就对设备驱动作者增加了压力，因为在他们必须处理一个毫无征兆地突然出现或消失的设备。

热插拔工具当用户向系统添加或删除设备时，内核会产生一个热插拔事件，并在/proc/sys/kernel/hotplug文件里查找处理设备连接的用户空间程序。

这个用户空间程序主要有hotplug:这个程序是一个典型的bash 脚本，只传递执行权给一系列位于/etc/hot-plug.d/ 目录树的程序。

hotplug 脚本搜索所有的有 .hotplug 后缀的可能对这个事件进行处理的程序并调用它们, 并传递给它们许多不同的已经被内核设置的环境变量。

(基本已被淘汰，具体内容请参阅《LDD3》)udev ：用于linux2.6.13或更高版本的内核上，为用户空间提供使用固定设备名的动态/dev目录的解决方案。

它通过在sysfs 的/class/ 和/block/ 目录树中查找一个称为dev 的文件，以确定所创建的设备节点文件的主次设备号。

所以要使用udev，驱动必须为设备在sysfs中创建类接口及其dev属性文件，方法和sculld模块中创建dev属性相同。

udev的资料网上十分丰富，我就不在这废话了，给出以下链接有兴趣的自己研究：mdev：一个简化版的udev，是busybox所带的程序，十分适合嵌入式系统。

因为hotplug现在也在被慢慢地淘汰，udev不再依赖hotplug了，所以这里不再介绍；udev较mdev复杂，不太适合嵌入式使用。

linux内核学习---总线，设备，驱动Linux 设备模型中三个很重要的概念就是总线,设备,驱动.即 bus,device,driver,而实际上内核中也定义了这么一些数据结构,他们是 struct bus_type,struct device，struct device_driver,这三个重要的数据结构都来自一个地方,include/linux/device.h.我们知道总线有很多种,pci总线,scsi 总线,usb 总线,所以我们会看到Linux 内核代码中出现pci_bus_type，scsi_bus_type，usb_bus_type，他们都是 struct bus_type 类型的变量.而struct bus_type 结构中两个非常重要的成员就是 struct kset drivers 和 struct kset devices。

kset 和另一个叫做 kobject 正是 Linux Kernel 2.6 中设备模型的基本元素。

这里我们只需要知道,drivers 和 devices 的存在,让struct bus_type 与两个链表联系了起来,一个是devices 的链表,一个是 drivers 的链表,也就是说,知道一条总线所对应的数据结构,就可以找到这条总线所关联的设备有哪些,又有哪些支持这类设备的驱动程序.而要实现这些,就要求每次出现一个设备就要向总线汇报,或者说注册,每次出现一个驱动,也要向总线汇报,或者说注册.比如系统初始化的时候,会扫描连接了哪些设备,并为每一个设备建立起一个 struct device 的变量,每一次有一个驱动程序,就要准备一个 struct device_driver 结构的变量.把这些变量统统加入相应的链表,device 插入 devices 链表,driver 插入 drivers 链表. 这样通过总线就能找到每一个设备,每一个驱动。

struct bus_type 中为 devices 和 drivers 准备了两个链表,而代表 device 的结构体 struct device 中又有两个成员,struct bus_type *bus 和 struct device_driver *driver。