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linux内核从原理到代码详解(探究一个LED如何入门Linux内核)

更多 时间:2021-10-04 01:49:08 类别:服务器 浏览量:501

linux内核从原理到代码详解

探究一个LED如何入门Linux内核

linux内核从原理到代码详解(探究一个LED如何入门Linux内核)

前言

最近项目上需要用到 LED 子系统,在嵌入式 Linux 里面点个灯还是比较简单的,只要在某个灯对应的目录里,向相应文件写入特定值,就可以让 LED 亮/灭/闪烁。

  • # echo 1 > /sys/class/leds/green/brightness // 点亮 LED
    # echo 0 > /sys/class/leds/green/brightness // 熄灭 LED
    # echo heartbeat > /sys/class/leds/green/trigger // 让 LED 像心跳一样闪烁
    
    
  • led trigger

    当然,项目里用到的点灯功能要比上面介绍的稍微复杂一点,类似于硬盘灯,即对硬盘进行读写操作时,LED 会闪烁。隐隐约约感觉到,这个功能应该和 trigger 文件有关系,因为在 cat 这个文件时,里面有 mmc0 这个字眼。

    那就往 trigger 里面写个 mmc0 看看会有什么效果呢

  • # echo mmc0 > /sys/class/leds/green/trigger
    # cat /sys/class/leds/green/trigger
    none rc-feedback kbd-scrolllock kbd-numlock kbd-capslock kbd-kanalock 
    kbd-shiftlock kbd-altgrlock kbd-ctrllock kbd-altlock kbd-shiftllock 
    kbd-shiftrlock kbd-ctrlllock kbd-ctrlrlock 
    [mmc0] heartbeat default-on ir-power-click axp20x-usb-online
    
    
  • 向磁盘中写入数据

  • # touch aa | sync
    
    
  • 神奇地发现,每执行一次命令向磁盘中写入数据,板子上绿色的灯就会闪烁一次。

    通过查阅资料,了解到这是 LED 触发器相关的功能。

    一时间,想到

    • 为什么往 tigger 里写入 mmc0,就能让 LED 变成硬盘灯?
    • 为什么往 brightness 文件里写入 1/0,就能控制灯的亮灭?
    • 为什么往 trigger 文件里面写入 timer,LED 就会闪烁,同时会产生两个文件 delay_on、delay_off,并能用它们控制灯的闪烁频率?

    等等种种疑惑涌上心头,急切地想了解这些功能背后的原理。

    开始探索

    问题驱动行动,先列出想要知道的问题

    各个灯对应的目录是怎么来的?

    • trigger 里面的各个触发器是怎么产生的?
    • 为什么向 brightness 里面写入 1/0,LED 会亮/灭?
    • 为什么向 trigger 里面写入 timer,会产生 delay_on、delay_off 这两个文件

    开始研究,那就从昨晚想到的 led_classdev_register(“aaa”) 会产生一个 LED 目录开始。

    LED 设备注册

    先做一个实验,确定下 led_classdev_register() 是否会产生一个 led 灯对应的目录。

    随便找了一个可以被运行到的地方,加入了下面这几行代码,期望是在 leds 目录下能够产生 aaa 目录

  • 	struct led_classdev *cdev;
    	int ret;
    	cdev = kzalloc(sizeof(*cdev), GFP_KERNEL);
    	if (!cdev)
    		return -ENOMEM;
    	cdev->name = "aaa";
    	// cdev->brightness_set = ebsa110_led_set;
    	// cdev->brightness_get = ebsa110_led_get;
    	// cdev->default_trigger = "heartbeat";
    	ret = led_classdev_register(NULL, cdev);
    	if (ret	< 0) {
    		kfree(cdev);
    		return ret;
    	}
    
    
  • 编译、烧录、运行、查看

    # ls /sys/class/leds/
    aaa green

    果然在 leds 下产生了我希望出现的目录 aaa,信心大增!

    后来又追了下底层调用关系:

  • led_classdev_register()
    	of_led_classdev_register() // register a new object(对象) of led_classdev class.
    		led_classdev_next_name()
    		device_create_with_groups()
    		led_add_brightness_hw_changed()
    		list_add_tail() // add to the list of leds
    		led_update_brightness()
    		//led_trigger_set_default()
    
    
  • leds 目录

    知道了某个灯是怎么注册产生的,又想知道 leds 目录是怎么产生的,搜索了下代码,也不难找到,下面是产生 leds 目录相关的函数调用关系:

  • subsys_initcall(leds_init);
    leds_init()	// 创建 leds 类,即产生 /sys/class/leds 目录
    	class_create()
    		__class_create()
    			__class_register()
    				kset_register()
    
    
  • 触类旁通

    后来,查资料了解到,/sys/class/leds 是一个类,一个类代表一个内核子系统,像这样的子系统在内核中还有很多

    /sys/class/ 里面的每个目录都是一个类,也都是一个子系统

  • # ls /sys/class/
    ata_device    extcon        mdio_bus      ptp           sound
    ata_link      gpio          mem           pwm           spi_master
    ata_port      graphics      misc          rc            thermal
    bdi           hwmon         mmc_host      regulator     tty
    block         i2c-adapter   net           rtc           udc
    bsg           i2c-dev       phy           scsi_device   vc
    dma           input         power_supply  scsi_disk     vtconsole
    drm           leds          pps           scsi_host     watchdog
    
    
  • 每个类里面又有具体的实例化对象,如 green、aaa

    # ls /sys/class/leds/
    aaa green

    每个对象里面又有相应的成员方法/属性,如 brightness、trigger

  • # ls /sys/class/leds/aaa/
    brightness      power           trigger
    max_brightness  subsystem       uevent
    
    
    
  • 多像 C++ 里面的类啊!其实就是类,简单对比一下

    linux内核从原理到代码详解(探究一个LED如何入门Linux内核)

    具体 class 里面的注册逻辑,等后面有时间了再慢慢吃透。继续我们的路线探索。注意,其实这里我的探索路线已经变掉了,已经不局限于探究 LED 子系统了,开始向 LED 子系统外面的 kernel 扩展了。

    class 目录的产生

    现在来到了 class 目录,因为知道 leds 目录是怎么来的之后,就在想其上面一级 class 目录是怎么来的。

    追代码,得到

  • classes_init()
    	kset_create_and_add("class", NULL, NULL); // create a struct kset dynamically and add it to sysfs
    		kset_create()
    			kobject_set_name()
    		kset_register()
    			kset_init()
    			kobject_add_internal()
    				kobject_get()
    				kobj_kset_join()
    					kset_get()
    					list_add_tail()
    						__list_add()
    						{
    							next->prev = new;
    							new->next = next;
    							new->prev = prev;
    						}
    				create_dir() // 创建目录
    
    
  • start_kernel()

    其实追到 classes_init() 后,就不用我费脑筋去想下面再去追啥代码了,继续向上追就行了

  • /* kernel */
    start_kernel()
    	rest_init() // Do the rest non-__init'ed, we're now alive
    		kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
    		kernel_init()
    			kernel_init_freeable()
    			/*
    			 * Ok, the machine is now initialized. None of the devices
    			 * have been touched yet, but the CPU subsystem is up and
    			 * running, and memory and process management works.
    			 *
    			 * Now we can finally start doing some real work..
    			 */
    			do_basic_setup()
    			driver_init() // to initialize their subsystems.
    				devtmpfs_init()
    				devices_init()
    				buses_init()
    				classes_init() // 刚刚的 classes_init()
    				firmware_init()
    				hypervisor_init()
    				platform_bus_init()
    				cpu_dev_init()
    				memory_dev_init()
    				container_dev_init()
    				of_core_init()
    
    
  • 如上,一不小心就追到了 start_kernel(),梦开始的地方啊,第一次发现追内核代码这么有趣。

    Starting kernel …

    追到 start_kernel() 后,便不自由地想,Starting kernel ... 这段字串在哪打印的啊,每次开机 uboot 之后都能看到这句,如果能找到,岂不美哉。不幸的是,在内核代码中没搜到。

    uboot

    一开始我以为 Starting kernel ... 会在 start_kernel() 中打印,但是在内核代码中没搜到。这时候便想到会不会是在 ubbot 中打印的,在开始加载内核前打印这句也是合理的。

    就去 uboot 里面搜了下,果然

  • boot_jump_linux()
    	announce_and_cleanup()
    		printf("\nStarting kernel ...%s\n", fake ? "(fake run for tracing)" : "");
    
    
  • 这里也就是 uboot 即将退出,kernel 即将运行的地方。

    附完整调用关系

    从 uboot 到 kernel 再到 /sys/class,然后注册 leds 类,再实例化一个 LED 灯。

  • /* uboot */
    boot_jump_linux()
    	announce_and_cleanup()
    		printf("\nStarting kernel ...%s\n"); // printf() 
    		bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_BOOTM_HANDOFF, "start_kernel");
    		cleanup_before_linux()
    	kernel_entry(0, machid, r2);
    /* kernel */
    start_kernel()
    	rest_init() // Do the rest non-__init'ed, we're now alive
    		kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
    		kernel_init()
    			kernel_init_freeable()
    			/*
    			 * Ok, the machine is now initialized. None of the devices
    			 * have been touched yet, but the CPU subsystem is up and
    			 * running, and memory and process management works.
    			 *
    			 * Now we can finally start doing some real work..
    			 */
    			do_basic_setup()
    			driver_init() // to initialize their subsystems.
    				devtmpfs_init()
    				devices_init()
    				buses_init()
    				classes_init()
    					kset_create_and_add("class", NULL, NULL); // create a struct kset dynamically and add it to sysfs
    						kset_create()
    							kobject_set_name()
    						kset_register()
    							kset_init()
    							kobject_add_internal()
    								kobject_get()
    								kobj_kset_join()
    									kset_get()
    									list_add_tail()
    										__list_add()
    										{
    											next->prev = new;
    											new->next = next;
    											new->prev = prev;
    										}
    								create_dir()
    				firmware_init()
    				hypervisor_init()
    				platform_bus_init()
    				cpu_dev_init()
    				memory_dev_init()
    				container_dev_init()
    				of_core_init()
    
    subsys_initcall(leds_init);
    leds_init()	// 创建 leds 类,即 /sys/class/leds 目录
    	class_create()
    		__class_create()
    			__class_register()
    				kset_register()
    
    led_classdev_register()
    	of_led_classdev_register() // register a new object(对象) of led_classdev class.
    		led_classdev_next_name()
    		device_create_with_groups()
    		led_add_brightness_hw_changed()
    		list_add_tail() // add to the list of leds
    		led_update_brightness()
    		//led_trigger_set_default()
    
    
  • 人生切入点

    以上,从 LED 子系统进行切入,研究 Linux 内核。找到了研究 Linux 内核的切入点。

    面对庞大的事物,我们往往会产生恐惧心理,这种恐惧阻止我们进一步研究,也就更加对其不了解,战胜不了它。

    两个事例:

    • 一个著名的马拉松运动员在给大家讲自己的成功经验,他说自己总是事先将路程坐车看一遍,记下参照物,然后把距离缩成一节一节的,跑好每一节。
    • 我上高中时物理成绩比较好,因为我做题的方式跟别人不太一样,别人拿到题就死盯着最后的问题,想立马得到答案。而我是先扫一遍题,找其中几个已知条件,根据物理公式,尝试去推导未知的量,就这样一点一点推导,有时定睛一看,答案就在眼前。

    小到一道题目,一门学科,一项技能,大到工作、生活,甚至整个人生。我们如果能够找到一个切入点,那么我们是幸运的,我们将以此通往成功,通向美好,希望大家以后多多支持开心学习网!

    标签:LED Linux内核