探究一个LED如何入门Linux内核_Linux

内核那么大,从哪看啊?能看懂吗?其实这种场景在脑海里不止一次地发生过了,兴趣和困难进行猛烈地撞击,意志力稍强,会有所突破,静下心来研究,可能会有所收获

请添加图片描述

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

在这里插入图片描述

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安全小天地!

------本文已结束,感谢您的阅读------
THE END
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