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驱动开发硬核特训 · Day 21（上篇加强版）：深入理解子系统机制与实战初探

news 来源：原创 2025/6/17 0:42:38

📅 日期：2025-04-27
📚 技术平台：嵌入式Jerry（B站）

1. 为什么要有子系统？（深度版）

在 Linux 内核发展早期，设备管理较为混乱，每种设备（如网卡、硬盘、LED）各自为政，驱动开发非常困难，系统维护复杂、扩展困难。

在这里插入图片描述

1.1 难点总结

接口不统一：每类设备定义自己的操作方式
用户访问混乱：无法通过统一路径管理设备
内核膨胀严重：各种 if-else、switch-case 代码横行

1.2 子系统带来的变化

✅ 为每一类功能设备定义 统一接口规范；
✅ 在 /sys/class/ 下暴露出 统一访问路径；
✅ 驱动开发者只需遵循子系统接口，避免重复设计；
✅ 设备热插拔、动态加载、统一管理变得简单。

2. 子系统本质是什么？

一句通俗的话：

子系统是内核根据设备功能，把一大堆设备分类管理的机制。

技术上：

基于 kobject/kset/ktype 的设备模型机制
在 sysfs 文件系统中形成 class 目录
提供标准的注册/注销流程

2.1 子系统 VS 设备模型

项目	设备模型 (device model)	子系统 (subsystem)
定义	Linux 内核通用框架	特定类型设备的组织分类
基础	kobject/kset/ktype	基于设备模型构建
目的	支撑总线/驱动/设备统一管理	便于管理一类设备
示例	platform bus, device	net, block, regulator

3. 子系统的基本结构和机制

一个子系统通常包括：

Class：对应 sysfs 的 /sys/class/，逻辑分组
Device：每个实例（一个 LED、一个 BUCK）对应一个 device
Driver：驱动设备，通常与特定 bus 匹配

结构图理解：

class_create() -> 创建类 (Class)
device_create() -> 创建设备 (Device)用户空间访问：
/sys/class/<class>/<device>/

4. 子系统创建与使用详细流程

4.1 创建子系统

内核代码核心步骤：

// 1. 创建一个 Class（子系统）
struct class *my_class;my_class = class_create(THIS_MODULE, "mychar_class");
if (IS_ERR(my_class))return PTR_ERR(my_class);

对应生成 /sys/class/mychar_class/

4.2 注册设备到子系统

// 2. 在子系统下挂一个设备
struct device *dev;dev = device_create(my_class, NULL, devt, NULL, "mychar");
if (IS_ERR(dev))return PTR_ERR(dev);

对应生成 /sys/class/mychar_class/mychar 节点。

同时，udev等工具可自动生成 /dev/mychar 设备文件。

4.3 销毁流程

// 卸载时销毁
device_destroy(my_class, devt);
class_destroy(my_class);

确保模块退出时资源清理，防止内核内存泄漏。

5. 详细实例：基于 i.MX8MP EVK 控制 LED

5.1 设备树节点

imx8mp-evk.dts 中已有：

gpio-leds {compatible = "gpio-leds";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_gpio_led>;status {label = "yellow:status";gpios = <&gpio3 16 GPIO_ACTIVE_HIGH>;default-state = "on";};
};

说明：

GPIO3_16 = 32 * 2 + 16 = 80号 GPIO
默认状态点亮

5.2 驱动代码示例（增加丰富注释版）

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>#define LED_GPIO 80  // gpio3_16static dev_t devt;
static struct cdev led_cdev;
static struct class *led_class;
static struct device *led_device;// 写接口，实现开关LED
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t len, loff_t *off)
{char kbuf[4] = {0};if (copy_from_user(kbuf, buf, len))return -EFAULT;if (kbuf[0] == '1')gpio_set_value(LED_GPIO, 1); // 点亮elsegpio_set_value(LED_GPIO, 0); // 熄灭return len;
}// 文件操作结构
static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.write = led_write,
};static int __init led_init(void)
{int ret;// 申请GPIOret = gpio_request(LED_GPIO, "led_gpio");if (ret)return ret;gpio_direction_output(LED_GPIO, 1);// 分配设备号alloc_chrdev_region(&devt, 0, 1, "ledchar");cdev_init(&led_cdev, &led_fops);cdev_add(&led_cdev, devt, 1);// 创建子系统（class）led_class = class_create(THIS_MODULE, "led_class");led_device = device_create(led_class, NULL, devt, NULL, "ledchar");pr_info("ledchar device initialized\n");return 0;
}static void __exit led_exit(void)
{gpio_set_value(LED_GPIO, 0);gpio_free(LED_GPIO);device_destroy(led_class, devt);class_destroy(led_class);cdev_del(&led_cdev);unregister_chrdev_region(devt, 1);pr_info("ledchar device removed\n");
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

5.3 加载模块效果

# 加载模块
insmod ledchar.ko# 查看/sys目录
ls /sys/class/led_class/ledchar/# 控制LED
echo 1 > /dev/ledchar
echo 0 > /dev/ledchar

✅ 通过字符设备 /dev/ledchar 写操作，控制真正硬件上的 GPIO 灯亮灭。
✅ 同时在 /sys/class/led_class/ledchar/ 中可查看设备属性。

6. 深度讲解：子系统、字符设备、设备模型关系总结

类型	作用	示例	本质
字符设备 (cdev)	提供read/write/ioctl接口	/dev/ledchar	用来读写硬件
子系统 (class)	统一组织管理设备	/sys/class/led_class/	便于分类管理
设备模型 (device model)	内核统一抽象	bus/device/driver	子系统基于它

7. 为什么字符设备要挂子系统？

如果直接裸 cdev：仅 /dev 有节点，sysfs 中无管理
如果挂到子系统：
- 有 /dev 节点
- 有 /sys/class 路径
- 更易于热插拔、用户空间管理
- 可以扩展 attribute 节点（如调节亮度）

所以，规范写法：

字符设备 + 子系统结合，才是完整专业驱动。

8. 小结与今日提炼

✅ 子系统统一管理同类设备，提升 Linux 内核规范性。
✅ 子系统本质上是设备模型的一个应用。
✅ 字符设备可直接使用，也可以挂到子系统，推荐挂载管理。
✅ 电源子系统（regulator）、LED子系统、网卡子系统都是应用范例。

9. 后续学习计划（已升级）

阶段	主题	备注
✅ 阶段一	设备模型 + 字符设备	已完成
✅ 阶段二	子系统概念与应用	今日完成
🔜 阶段三	电源子系统（regulator）深度学习	明日开始

10. 技术交流

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