Linux内核设备驱动模块自动加载机制

摘要: 现在大多数硬件设备的驱动都是作为模块出现的，Linux启动过程中会自动加载这些模块，本文通过内核源码简要说明这个过程。

1 驱动模块本身包含设备商、设备ID号等详细信息

如果想让内核启动过程中自动加载某个模块该怎么做呢？最容易想到的方法就是到/etc/init.d/中添加一个启动脚本，然后在/etc/rcN.d/目录下创建一个符号链接，这个链接的名字以S开头，这内核启动时，就会自动运行这个脚本了，这样就可以在脚本中使用modprobe来实现自动加载。但是我们发现，内核中加载了许多硬件设备的驱动，而搜索/etc目录，却没有发现任何脚本负责加载这些硬件设备驱动程序的模块。那么这些模块又是如何被加载的呢？每一个设备都有Verdon ID, Device ID, SubVendor ID等信息。而每一个设备驱动程序，必须说明自己能够为哪些Verdon ID, DevieceID, SubVendor ID的设备提供服务。以PCI设备为例，它是通过一个pci_device_id的数据结构来实现这个功能的。例如：RTL8139的pci_device_id定义为：

static struct pci_device_id rtl8139_pci_tbl[] = {
{0x10ec, 0x8139, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },
{0x10ec, 0x8138, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, RTL8139 },
......
}
MODULE_DEVICE_TABLE (pci, rtl8139_pci_tbl);

上面的信息说明，凡是Verdon ID为0x10EC, Device ID为0x8139, 0x8138的PCI设备(SubVendor ID和SubDeviceID为PCI_ANY_ID，表示不限制。)，都可以使用这个驱动程序(8139too)。

2 模块安装过程提取设备商、设备ID信息，并写入modules.alias文件

在模块安装的时候，depmod会根据模块中的rtl8139_pci_tbl的信息，生成下面的信息，保存到/lib/modules/uname-r/modules.alias文件中，其内容如下：

alias pci:v000010ECd00008138sv*sd*bc*sc*i* 8139too
alias pci:v000010ECd00008139sv*sd*bc*sc*i* 8139too
......

后面的000010EC说明其Vendor ID为10EC，d后面的00008138说明Device ID为8139，而sv,和sd为SubVendor ID和SubDevice ID，后面的星号表示任意匹配。另外在/lib/modules/uname-r/modules.dep文件中还保存这模块之间的依赖关系，其内容如下：

(这里省去了路径信息。)
8139too.ko:mii.ko

3 内核启动过程中，总线枚举时把读取的设备ID等信息发送到udevd，udevd根据modules.alias文件找到匹配的驱动模块，加载之。

在内核启动过程中，总线驱动程序会会总线协议进行总线枚举，并且为每一个设备建立一个设备对象。每一个总线对象有一个kset对象，每一个设备对象嵌入了一个kobject对象，kobject连接在kset对象上，这样总线和总线之间，总线和设备设备之间就组织成一颗树状结构。当总线驱动程序为扫描到的设备建立设备对象时，会初始化kobject对象，并把它连接到设备树中，同时会调用kobject_uevent()把这个(添加新设备的)事件，以及相关信息(包括设备的VendorID,DeviceID等信息。)通过netlink发送到用户态中。在用户态的udevd检测到这个事件，就可以根据这些信息，打开/lib/modules/uname-r/modules.alias文件，根据alias pci:v000010ECd00008138sv*sd*bc*sc*i* 8139too得知这个新扫描到的设备驱动模块为8139too。于是modprobe就知道要加载8139too这个模块了，同时modprobe根据 modules.dep文件发现，8139too依赖于mii.ko，如果mii.ko没有加载，modprobe就先加载mii.ko，接着再加载 8139too.ko。

4 实验

在你的shell中，运行：

# ps aux | grep udevd

root 25063 ...... /sbin/udevd --daemon
我们得到udevd的进程ID为25063，现在结束这个进程：

# kill -9 25063
然后跟踪udevd，在shell中运行：
# strace -f /sbin/udevd --daemon
这时，我们看到udevd的输出如下：
......
close(8) = 0
munmap(0xb7f8c000, 4096) = 0
select(7, [3 4 5 6], NULL, NULL, NULL
我们发现udevd在这里被阻塞在select()函数中。
select函数原型如下：

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
第一个参数：nfds表示最大的文件描述符号，这里为7(明明是6 ?)。
第二个参数：readfds为读文件描述符集合，这里为3,4,5,6.
第三个参数：writefds为写文件描述符集合，这里为NULL。
第四个参数：exceptfds为异常文件描述符集合，这里为NULL。
第五个参数：timeout指定超时时间，这里为NULL。
select函数的作用是：如果readfds中的任何一个文件有数据可读，或者witefds中的任何一个文件可以写入，或者exceptfds中的任何一个文件出现异常时，就返回。否则阻塞当前进程，直到上诉条件满足，或者因阻塞时间超过了timeout指定的时间，当前进程被唤醒，select返回。

所以，在这里udevd等待3,4,5,6这几个文件有数据可读，才会被唤醒。现在，到shell中运行：

# ps aux | grep udevd
root 27615 ...... strace -o /tmp/udevd.debug -f /sbin/udevd --daemon
root 27617 ...... /sbin/udevd --daemon
udevd的进程id为27617，现在我们来看看select等待的几个文件：

# cd /proc/27615/fd
# ls -l

udevd的标准输入，标准输出，标准错误全部为/dev/null.
0 -> /dev/null
1 -> /dev/null
2 -> /dev/null

udevd在下面这几个文件上等待。
3 -> /inotify
4 -> socket:[331468]
5 -> socket:[331469]
6 -> pipe:[331470]
7 -> pipe:[331470]
由于不方便在运行中插入一块8139的网卡，因此现在我们以一个U盘来做试验，当你插入一个U盘后，你将会看到strace的输出，从它的输出可以看到 udevd在select返回后，调用了modprobe加载驱动模块，并调用了sys_mknod，在dev目录下建立了相应的节点。

execve("/sbin/modprobe", ["/sbin/modprobe", "-Q", "usb:v05ACp1301d0100dc00dsc00dp00"...]
......
mknod("/dev/sdb", S_IFBLK|0660, makedev(8, 16)) = 0
......
这里modprobe的参数"usb:v05AC..."对应modules.alias中的某个模块。

可以通过udevmonitor来查看内核通过netlink发送给udevd的消息，在shell中运行：

# udevmonitor --env
然后再插入U盘，就会看到相关的发送给udevd的消息。
== 内核处理过程 ==：

这里我们以PCI总线为例，来看看在这个过程中，内核是如何处理的。当PCI总线驱动程序扫描到一个新的设备时，会建立一个设备对象，然后调用 pci_bus_add_device()函数，这个函数最终会调用kobject_uevent()通过netlink向用户态的udevd发送消息。

int pci_bus_add_device(struct pci_dev *dev)
{
int retval;
retval = device_add(&dev->dev);

......

return 0;
}
device_add()代码如下：

int device_add(struct device *dev)
{
struct device *parent = NULL;

dev = get_device(dev);

......

error = bus_add_device(dev);
if (error)
goto BusError;
kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD);
......
}
device_add()在准备好相关数据结构后，会调用kobject_uevent()，把这个消息发送到用户空间的udevd。

int kobject_uevent(struct kobject *kobj, enum kobject_action action)
{
return kobject_uevent_env(kobj, action, NULL);
}
int kobject_uevent_env(struct kobject *kobj, enum kobject_action action, char *envp_ext[])
{
struct kobj_uevent_env *env;
const char *action_string = kobject_actions[action];
const char *devpath = NULL;
const char *subsystem;
struct kobject *top_kobj;
struct kset *kset;
struct kset_uevent_ops *uevent_ops;
u64 seq;
int i = 0;
int retval = 0;

......

/* default keys */
retval = add_uevent_var(env, "ACTION=%s", action_string);
if (retval)
goto exit;
retval = add_uevent_var(env, "DEVPATH=%s", devpath);
if (retval)
goto exit;
retval = add_uevent_var(env, "SUBSYSTEM=%s", subsystem);
if (retval)
goto exit;

/* keys passed in from the caller */
if (envp_ext) {
for (i = 0; envp_ext[i]; i++) {
retval = add_uevent_var(env, envp_ext[i]);
if (retval)
goto exit;
}
}

......

/* 通过netlink发送消息，这样用户态的udevd进程就会从select()函数返回，并做相应的处理。 */
#if defined(CONFIG_NET)
/* send netlink message */
if (uevent_sock) {
struct sk_buff *skb;
size_t len;

/* allocate message with the maximum possible size */
len = strlen(action_string) + strlen(devpath) + 2;
skb = alloc_skb(len + env->buflen, GFP_KERNEL);
if (skb) {
char *scratch;

/* add header */
scratch = skb_put(skb, len);
sprintf(scratch, "%s@%s", action_string, devpath);

/* copy keys to our continuous event payload buffer */
for (i = 0; i < env->envp_idx; i++) {
len = strlen(env->envp[i]) + 1;
scratch = skb_put(skb, len);
strcpy(scratch, env->envp[i]);
}

NETLINK_CB(skb).dst_group = 1;
netlink_broadcast(uevent_sock, skb, 0, 1, GFP_KERNEL);
}
}
#endif

......
return retval;
}

5 思考

现在我们知道/dev目录下的设备文件是由 udevd负责建立的，但是在内核启动过程中，需要mount一个根目录，通常我们的根目录是在硬盘上，比如：/dev/sda1，但是硬盘对应的驱动程序没有加载前，/dev/sda1是不存在的， 如果没有/dev/sda1，就不能通过mount /dev/sda1 /来挂载根目录。另一方面udevd是一个可执行文件，如果连硬盘驱动程序到没有加载，根目录都不存在，udevd就不能运行。如果udevd不能运行，那么就不会自动加载磁盘驱动程序，也就不能自动创建/dev/sda1。这不是死锁了吗？那么你的Linux是怎么启动的呢？