Linux-Device-Model-2

Linux Device Model

註1：這篇文章的function prototype都是用kernel version 4.4.0-75(Ubuntu 16.04)(tag v4.4-rc6)。

註2: 裡面的內容，關鍵字和專有名詞我會盡量以英文來呈現。

註3: 這裡面也沒有什麼新花樣，只是我唸書的筆記分享而已。

註4: 目前的檔案只是我暫存用，到時候會post部落格上。

Device Types

在Linux裡，就像在所有的Unix系統，每個裝置(device)都會被分類成底下三種其一：

Block devices

Character devices

Network devices

『Block devices』，通常會縮寫成『blkdevs』，這類型的device是屬於可以定位(addressable)的，定位的基準是以device的區塊『block』為單位，並且有可搜尋(seeking)和隨機存取(random access)等特性。Block device可以經由特殊的檔案 - 『block device node』來存取，並且存取前一定要在filesystem裡有掛載(mount)的動作。

『Character devices』，通常會縮寫成『cdevs』，這類型的device跟block device剛好相反，通常是不可定址的，只能用串流(stream)的方式來存取資料，單位一般是characters (bytes)。如果要存取這類型的device的話，通常必須經由一個特殊的檔案類型 - 『character device node』。

『Ethernet devices』，其實就是我們通稱的network devices，這類型的device會透過實體的適配器(physical adapter)和特殊的協議來存取網路。Network device的話跟其他兩種不一樣，它不能經由device node來存取，必須透過『socker API』這個特殊的介面來存取。但是並不是每個device driver都會有實體的device，有可能會是虛擬的(virtual)，用來存取相關的kernel功能，這類型的device通稱為『pseudo devices』。

Device Model

大家應該都知道Linux Kernel是跨架構/平台的一個作業系統核心，所以它必須經得起各種的架構和硬體平台的考驗。舉個例子來說，想要讓一個相同的USB device driver在x86 PC上可以用，那當然也要可以在ARM 平台上運作，即使在這兩種平台上的USB controllers是不同的條件之下，也不能有影響。

到了kernel 2.4，出現了『devfs』，其引入了動態裝置節點(dynamic device node)建立，devfs可以讓kernel介面在 in-memory filesystem中建立device nodes。在devfs這套機制中雖然已經有進步了，但是為其node命名的責任還是落在device driver身上，而且跟kernel的整合並沒有很完美。所以到了『udev』的出現以後，才真正的把device的管理給推到了user space上面去。

『Device model』，是一個kernel 2.6開始很重要的結構，提供很準確的device tree來管理與增進power management。為了在kernel裡面實做device-level的power management，就必須要在系統裡面建立一個tree來代表device的拓普(topology)。在早期的kernel版本，所有需要的device node都需要自己在『/dev/』底下去靜態建立，這種舊機制其實還蠻複雜的。而這『Device model』主要的功能如以下三點：

1. Power management.

2. Hotplug.

3. User space communication.

在上面的前提之下，想要將device管理的任務給落到user space上的話，對於其抽象化的概念就非常重要了，因為必須要有一個非常清楚的架構將device driver從controller driver給分離出來，並將硬體的描述從drivers給分離出來，這些事情，主要就是由Kernel的『Device model』所做的，所以要學driver的先決知識很多，其中一個最重要的就是要知道這些分層概念，就像是如果你不懂網路的OSI Layers概念，你就很難將networking code寫的很好一樣。

在這邊我們可以了解到，這整件事並不是只有一個driver還是user space的程式就可以解決，必須要從上層user space串到下層kernel space，Device driver是Linux kernel 的一部分，負責所有device的偵測，狀態的改變，但是只要將driver給讀進去記憶體後，kernel會作的事只有一個，就是送一個event到user space的daemon - 『udevd』。然後udevd這個user space的device manager就會去接到這些events，在根據相關的組態來決定下一步會發生什麼事。

舉兩個wiki上的例子來幫助理解：

1. 當有一個新的USB 硬碟連接到你的電腦時，kernel會通知udevd，然後udevd在通知udisksd-daemon，最後這個『udisksd-daemon』就會掛載這個file system。

Kernel --> udev --> udisksd-daemon

2. 當有一個Ethernet cable插進去電腦的Ethernet NIC以後，kernel會通知udevd，然後udevd在通知NetworkManager-daemon。下一步NetworkManager-daemon就會開始為這個NIC啟動『dhclient』分配IP，而後在根據某些組態來設定你的網路，最後一步就是相關的程式就會使用『D-Bus』跟NetworkManager溝通。

Kernel --> udev --> Network Manager <--> D-Bus <--> Evolution

對於這篇文章，期望會讓你理解整個Device model的概念如下圖：

udev

首先這整個機制，如果沒有碰過kernel space的人，應該很難想像下層kernel space的部份，所以第一個部份先來講一下user space的『udev』。

​​Device Types

​​Device Model

​​udev

Device Types

Device Model

udev