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探究一個LED如何入門Linux內(nèi)核

 更新時間:2021年08月19日 17:25:49   作者:Li-Yongjun  
內(nèi)核那么大,從哪看???能看懂嗎?其實這種場景在腦海里不止一次地發(fā)生過了,興趣和困難進行猛烈地撞擊,意志力稍強,會有所突破,靜下心來研究,可能會有所收獲

請?zhí)砑訄D片描述

前言

最近項目上需要用到 LED 子系統(tǒng),在嵌入式 Linux 里面點個燈還是比較簡單的,只要在某個燈對應的目錄里,向相應文件寫入特定值,就可以讓 LED 亮/滅/閃爍。

# echo 1 > /sys/class/leds/green/brightness // 點亮 LED
# echo 0 > /sys/class/leds/green/brightness // 熄滅 LED
# echo heartbeat > /sys/class/leds/green/trigger // 讓 LED 像心跳一樣閃爍

led trigger

當然,項目里用到的點燈功能要比上面介紹的稍微復雜一點,類似于硬盤燈,即對硬盤進行讀寫操作時,LED 會閃爍。隱隱約約感覺到,這個功能應該和 trigger 文件有關系,因為在 cat 這個文件時,里面有 mmc0 這個字眼。

那就往 trigger 里面寫個 mmc0 看看會有什么效果呢

# 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

向磁盤中寫入數(shù)據(jù)

# touch aa | sync

神奇地發(fā)現(xiàn),每執(zhí)行一次命令向磁盤中寫入數(shù)據(jù),板子上綠色的燈就會閃爍一次。

通過查閱資料,了解到這是 LED 觸發(fā)器相關的功能。

一時間,想到

  • 為什么往 tigger 里寫入 mmc0,就能讓 LED 變成硬盤燈?
  • 為什么往 brightness 文件里寫入 1/0,就能控制燈的亮滅?
  • 為什么往 trigger 文件里面寫入 timer,LED 就會閃爍,同時會產(chǎn)生兩個文件 delay_on、delay_off,并能用它們控制燈的閃爍頻率?

等等種種疑惑涌上心頭,急切地想了解這些功能背后的原理。

開始探索

問題驅動行動,先列出想要知道的問題

各個燈對應的目錄是怎么來的?

  • trigger 里面的各個觸發(fā)器是怎么產(chǎn)生的?
  • 為什么向 brightness 里面寫入 1/0,LED 會亮/滅?
  • 為什么向 trigger 里面寫入 timer,會產(chǎn)生 delay_on、delay_off 這兩個文件

開始研究,那就從昨晚想到的 led_classdev_register(“aaa”) 會產(chǎn)生一個 LED 目錄開始。

LED 設備注冊

先做一個實驗,確定下 led_classdev_register() 是否會產(chǎn)生一個 led 燈對應的目錄。

隨便找了一個可以被運行到的地方,加入了下面這幾行代碼,期望是在 leds 目錄下能夠產(chǎn)生 aaa 目錄

	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;
	}

編譯、燒錄、運行、查看

# ls /sys/class/leds/
aaa green

果然在 leds 下產(chǎn)生了我希望出現(xiàn)的目錄 aaa,信心大增!

后來又追了下底層調用關系:

led_classdev_register()
	of_led_classdev_register() // register a new object(對象) 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 目錄

知道了某個燈是怎么注冊產(chǎn)生的,又想知道 leds 目錄是怎么產(chǎn)生的,搜索了下代碼,也不難找到,下面是產(chǎn)生 leds 目錄相關的函數(shù)調用關系:

subsys_initcall(leds_init);
leds_init()	// 創(chuàng)建 leds 類,即產(chǎn)生 /sys/class/leds 目錄
	class_create()
		__class_create()
			__class_register()
				kset_register()

觸類旁通

后來,查資料了解到,/sys/class/leds 是一個類,一個類代表一個內(nèi)核子系統(tǒng),像這樣的子系統(tǒng)在內(nèi)核中還有很多

/sys/class/ 里面的每個目錄都是一個類,也都是一個子系統(tǒng)

# 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

每個類里面又有具體的實例化對象,如 green、aaa

# ls /sys/class/leds/
aaa green

每個對象里面又有相應的成員方法/屬性,如 brightness、trigger

# ls /sys/class/leds/aaa/
brightness      power           trigger
max_brightness  subsystem       uevent

多像 C++ 里面的類啊!其實就是類,簡單對比一下

在這里插入圖片描述

具體 class 里面的注冊邏輯,等后面有時間了再慢慢吃透。繼續(xù)我們的路線探索。注意,其實這里我的探索路線已經(jīng)變掉了,已經(jīng)不局限于探究 LED 子系統(tǒng)了,開始向 LED 子系統(tǒng)外面的 kernel 擴展了。

class 目錄的產(chǎn)生

現(xiàn)在來到了 class 目錄,因為知道 leds 目錄是怎么來的之后,就在想其上面一級 class 目錄是怎么來的。

追代碼,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() // 創(chuàng)建目錄

start_kernel()

其實追到 classes_init() 后,就不用我費腦筋去想下面再去追啥代碼了,繼續(xù)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() // 剛剛的 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(),夢開始的地方啊,第一次發(fā)現(xiàn)追內(nèi)核代碼這么有趣。

Starting kernel …

追到 start_kernel() 后,便不自由地想,Starting kernel ... 這段字串在哪打印的啊,每次開機 uboot 之后都能看到這句,如果能找到,豈不美哉。不幸的是,在內(nèi)核代碼中沒搜到。

uboot

一開始我以為 Starting kernel ... 會在 start_kernel() 中打印,但是在內(nèi)核代碼中沒搜到。這時候便想到會不會是在 ubbot 中打印的,在開始加載內(nèi)核前打印這句也是合理的。

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)" : "");

這里也就是 uboot 即將退出,kernel 即將運行的地方。

附完整調用關系

從 uboot 到 kernel 再到 /sys/class,然后注冊 leds 類,再實例化一個 LED 燈。

/* 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()	// 創(chuàng)建 leds 類,即 /sys/class/leds 目錄
	class_create()
		__class_create()
			__class_register()
				kset_register()

led_classdev_register()
	of_led_classdev_register() // register a new object(對象) 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()

人生切入點

以上,從 LED 子系統(tǒng)進行切入,研究 Linux 內(nèi)核。找到了研究 Linux 內(nèi)核的切入點。

面對龐大的事物,我們往往會產(chǎn)生恐懼心理,這種恐懼阻止我們進一步研究,也就更加對其不了解,戰(zhàn)勝不了它。

兩個事例:

  • 一個著名的馬拉松運動員在給大家講自己的成功經(jīng)驗,他說自己總是事先將路程坐車看一遍,記下參照物,然后把距離縮成一節(jié)一節(jié)的,跑好每一節(jié)。
  • 我上高中時物理成績比較好,因為我做題的方式跟別人不太一樣,別人拿到題就死盯著最后的問題,想立馬得到答案。而我是先掃一遍題,找其中幾個已知條件,根據(jù)物理公式,嘗試去推導未知的量,就這樣一點一點推導,有時定睛一看,答案就在眼前。

小到一道題目,一門學科,一項技能,大到工作、生活,甚至整個人生。我們?nèi)绻軌蛘业揭粋€切入點,那么我們是幸運的,我們將以此通往成功,通向美好,希望大家以后多多支持腳本之家!

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