Linux 文件系统与设备文件系统（一）—

一、什么是Linux设备文件系统

首先我们不看定义，定义总是太抽象很难理解，我们先看现象。当我们往开发板上移植了一个新的文件系统之后（假如各种设备驱动也移植好了），启动开发板，我们用串口工具进入开发板，查看系统/dev目录，往往里面没有或者就只有null、console等几个系统必须的设备文件在这儿外，没有任何设备文件了。那我们移植好的各种设备驱动的设备文件怎么没有啊？如果要使用这些设备，那不是要一个一个的去手动的创建这些设备的设备文件节点，这给我们使用设备带来了极为的不便（在之前篇幅中讲的各种设备驱动的移植都是这样）。

设备文件系统就是给我们解决这一问题的关键，他能够在系统设备初始化时动态的在/dev目录下创建好各种设备的设备文件节点（也就是说，系统启动后/dev目录下就有了各种设备的设备文件，直接就可使用了）。除此之外，他还可以在设备卸载后自动的删除/dev下对应的设备文件节点（这对于一些热插拔设备很有用，插上的时候自动创建，拔掉的时候又自动删除）。还有一个好处就是，在我们编写设备驱动的时候，不必再去为设备指定主设备号，在设备注册时用0来动态的获取可用的主设备号，然后在驱动中来实现创建和销毁设备文件（一般在驱动模块加载和卸载函数中来实现）。

二、关于udev

2.4 内核使用devfs（设备文件系统）在设备初始化时创建设备文件，设备驱动程序可以指定设备号、所有者、用户空间等信息，devfs 运行在内核环境中，并有不少缺点：可能出现主/辅设备号不够，命名不灵活，不能指定设备名称等问题。

而自2.6 内核开始，引入了sysfs 文件系统。sysfs 把连接在系统上的设备和总线组织成一个分级的文件，并提供给用户空间存取使用。udev 运行在用户模式，而非内核中。udev 的初始化脚本在系统启动时创建设备节点，并且当插入新设备——加入驱动模块——在sysfs上注册新的数据后，udev会创新新的设备节点。

udev 是一个工作在用户空间的工具，它能根据系统中硬件设备的状态动态的更新设备文件，包括设备文件的创建，删除，权限等。这些文件通常都定义在/dev 目录下，但也可以在配置文件中指定。udev 必须内核中的sysfs和tmpfs支持，sysfs 为udev 提供设备入口和uevent 通道，tmpfs 为udev 设备文件提供存放空间。

注意，udev 是通过对内核产生的设备文件修改，或增加别名的方式来达到自定义设备文件的目的。但是，udev 是用户模式程序，其不会更改内核行为。也就是说，内核仍然会创建sda，sdb等设备文件，而udev可根据设备的唯一信息来区分不同的设备，并产生新的设备文件（或链接）。而在用户的应用中，只要使用新产生的设备文件即可。

三、udev和devfs设备文件的对比

提到udev，不能不提的就是devfs，下面看一下udev 与 devfs 的区别：

1、udev能够实现所有devfs实现的功能。但udev运行在用户模式中，而devfs运行在内核中。

2、当一个并不存在的 /dev 节点被打开的时候， devfs一样自动加载驱动程序而udev确不能。udev设计时，是在设备被发现的时候加载模块，而不是当它被访问的时候。 devfs这个功能对于一个配置正确的计算机是多余的。系统中所有的设备都应该产生hotplug 事件、加载恰当的驱动，而 udev 将会注意到这点并且为它创建对应的设备节点。如果你不想让所有的设备驱动停留在内存之中，应该使用其它东西来管理你的模块 (如脚本, modules.conf, 等等) 。其中devfs 用的方法导致了大量无用的 modprobe 尝试，以此程序探测设备是否存在。每个试探性探测都新建一个运行 modprobe 的进程，而几乎所有这些都是无用的

3、udev是通过对内核产生的设备名增加别名的方式来达到上述目的的。前面说过，udev是用户模式程序，不会更改内核的行为。

因此，内核依然会我行我素地产生设备名如sda,sdb等。但是，udev可以根据设备的其他信息如总线（bus），生产商（vendor）等不同来区分不同的设备，并产生设备文件。udev只要为这个设备文件取一个固定的文件名就可以解决这个问题。在后续对设备的操作中，只要引用新的设备名就可以了。但为了保证最大限度的兼容，一般来说，
新设备名总是作为一个对内核自动产生的设备名的符号链接（link）来使用的。

例如：内核产生了sda设备名，而根据信息，这个设备对应于是我的内置硬盘，那我就可以制定udev规则，让udev除了产生/dev/sda设备文件外，另外创建一个符号链接叫/dev/internalHD。这样，我在fstab文件中，就可以用/dev/internalHD来代替原来的 /dev/sda了。下次，由于某些原因，这个硬盘在内核中变成了sdb设备名了，那也不用着急，udev还会自动产生/dev/internalHD这个链接，并指向正确的/dev/sdb设备。所有其他的文件像fstab等都不用修改。

而在在2.6内核以前一直使用的是 devfs，devfs挂载于/dev目录下，提供了一种类似于文件的方法来管理位于/dev目录下的所有设备，但是devfs文件系统有一些缺点，例如：不确定的设备映射，有时一个设备映射的设备文件可能不同，例如我的U盘可能对应sda有可能对应sdb 。

四、udev 的工作流程图

下面先看一张流程图：

前面提到设备文件系统udev的工作过程依赖于sysfs文件系统。udev文件系统在用户空间工作，它可以根据sysfs文件系统导出的信息（设备号（dev）等），动态建立和删除设备文件。

sysfs文件系统特点：sysfs把连接在系统上的设备和总线组织成为一个分级的目录及文件，它们可以由用户空间存取，向用户空间导出内核数据结构以及它们的属性，这其中就包括设备的主次设备号。

那么udev 是如何建立设备文件的呢？

a -- 对于已经编入内核的驱动程序

当被内核检测到的时候，会直接在 sysfs 中注册其对象；对于编译成模块的驱动程序，当模块载入的时候才会这样做。一旦挂载了 sysfs 文件系统(挂载到 /sys)，内建的驱动程序在 sysfs 注册的数据就可以被用户空间的进程使用，并提供给 udev 以创建设备节点。

udev 初始化脚本负责在 Linux 启动的时候创建设备节点，该脚本首先将 /sbin/udevsend 注册为热插拔事件处理程序。热插拔事件本不应该在这个阶段发生，注册 udev 只是为了以防万一。

然后 udevstart 遍历 /sys 文件系统（其属性文件dev中记录这设备的主设备号，与次设备号），并在 /dev 目录下创建符合描述的设备文件。

例如，/sys/class/tty/vcs/dev 里含有"7:0"字符串，udevstart 就根据这个字符串创建主设备号为 7 、次设备号为 0 的 /dev/vcs 设备。udevstart 创建的每个设备的名字和权限由 /etc/udev/rules.d/ 目录下的文件指定的规则来设置。如果 udev 找不到所创建设备的权限文件，就将其权限设置为缺省的 660 ，所有者为 root:root 。

b -- 编译成模块的驱动程序

前面我们提到了"热插拔事件处理程序"的概念，当内核检测到一个新设备连接时，内核会产生一个热插拔事件，并在 /proc/sys/kernel/hotplug 文件里查找处理设备连接的用户空间程序。udev 初始化脚本将 udevsend 注册为该处理程序。当产生热插拔事件的时候，内核让 udev 在 /sys 文件系统里检测与新设备的有关信息，并为新设备在 /dev 里创建项目。

大多数 Linux 发行版通过 /etc/modules.conf 配置文件来处理模块加载，对某个设备节点的访问导致相应的内核模块被加载。对 udev 这个方法就行不通了，因为在模块加载前，设备节点根本不存在。为了解决这个问题，在 LFS-Bootscripts 软件包里加入了 modules 启动脚本，以及 /etc/sysconfig/modules 文件。通过在 modules 文件里添加模块名，就可以在系统启动的时候加载这些模块，这样 udev 就可以检测到设备，并创建相应的设备节点了。如果插入的设备有一个驱动程序模块但是尚未加载，Hotplug 软件包就有用了，它就会响应上述的内核总线驱动热插拔事件并加载相应的模块，为其创建设备节点，这样设备就可以使用了。

五、创建和配置mdev

mdev是udev的简化版本，是busybox中所带的程序，最适合用在嵌入式系统，而udev一般都用在PC上的Linux中，相对mdev来说要复杂些；

1、我们应该明白，不管是udev还是mdev，他们就是一个应用程序，就跟其他应用程序一样（比如：Boa服务），配置了就可以使用了。为了方便起见，我们就使用busybox自带的一个mdev，这样在配置编译busybox时，只要将mdev的支持选项选上，编译后就包含了mdev设备文件系统的应用（当然你也可以不使用busybox自带的，去下载udev的源码进行编译移植。

#cd busybox-1.13.0/ #make menuconfig

Linux System Utilities ---> [*] mdev [*] Support /etc/mdev.conf [*] Support subdirs/symlinks [*] Support regular expressions substitutions when renaming device [*] Support command execution at device addition/removal

2、 udev或者mdev需要内核sysfs和tmpfs虚拟文件系统的支持，sysfs为udev提供设备入口和uevent通道，tmpfs为udev设备文件提供存放空间。所以在/etc/fstab配置文件中添加如下内容（红色部分）：

# device mount-point type options dump fsck order #---------------------------------------------------------------- procfs /proc proc defaults 0 0 sysfs /sys sysfs defaults 0 0 tmpfs /dev/shm tmpfs defaults 0 0 usbfs /proc/bus/usb usbfs defaults 0 0 ramfs /dev ramfs defaults 0 0 none /dev/pts devpts mode=0622 0 0

3.、在系统初始化配置文件/etc/init.d/rcS中挂载mdev要用到的sysfs文件系统和tmpfs文件系统，这个在我们介绍根文件系统时已经看到：

然后启动/sbin目录下的mdev应用对系统的设备进行搜索（红色部分）。

# Mount virtual filesystem /bin/mount -t proc procfs /proc /bin/mount -n -t sysfs sysfs /sys /bin/mount -n -t usbfs usbfs /proc/bus/usb /bin/mount -t ramfs ramfs /dev # Make dir /bin/mkdir -p /dev/pts /bin/mkdir -p /dev/shm /bin/mkdir -p /var/log /bin/mount -n -t devpts none /dev/pts -o mode=0622 /bin/mount -n -t tmpfs tmpfs /dev/shm # Make device node echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug /sbin/mdev -s

a -- " mdev -s " 的含义是扫描 /sys 中所有的类设备目录，如果在目录中有含有名为“dev”的文件，且文件中包含的是设备号，则mdev就利用这些信息为该设备在/dev下创建设备节点文件；

b -- "echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug" 的含义是当有热插拔事件产生时，内核就会调用位于 /sbin 目录的 mdev 。这时 mdev 通过环境变量中的 ACTION 和DEVPATH，来确定此次热插拔事件的动作以及影响了 /sys 中的那个目录。接着，会看这个目录中是否有“dev”的属性文件。如果有就利用这些信息为这个设备在 /dev 下创建设备节点文件。

4、在设备驱动程序中加上对类设备接口的支持，即在驱动程序加载和卸载函数中实现设备文件的创建与销毁，这个在我们前面Linux 字符设备驱动结构（二）—— 自动创建设备节点可以看到实例，下面在介绍一个

例如在之前篇幅的按键驱动中添加（红色部分）：

[cpp] view plaincopy  
 #include <linux/device.h> //设备类用到的头文件  
 staticint device_major = DEVICE_MAJOR; //用于保存系统动态生成的主设备号  
 staticstruct class *button_class; //定义一个类  
   
 static int __init button_init(void)  
 {  
     //注册字符设备，这里定义DEVICE_MAJOR=0，让系统去分配，注册成功后将返回动态分配的主设备号  
     device_major = register_chrdev(DEVICE_MAJOR, DEVICE_NAME,&buttons_fops);  
   
     if(device_major< 0)  
     {  
         printk(DEVICE_NAME " register faild!/n");  
         return device_major;  
     }  
   
     //注册一个设备类，使mdev可以在/dev/目录下建立设备节点  
     button_class =class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);  
   
     if(IS_ERR(button_class))  
     {  
         printk(DEVICE_NAME" create class faild!/n");  
         return-1;  
     }  
   
     //创建一个设备节点，取名为DEVICE_NAME(即my2440_buttons)  
     //注意2.6内核较早版本的函数名是class_device_create，现该为device_create  
     device_create(button_class,NULL,MKDEV(device_major,0),NULL,DEVICE_NAME);  
   
     return 0;  
 }  
   
 static void __exit button_exit(void)  
 {  
     //注销字符设备  
     unregister_chrdev(device_major, DEVICE_NAME);  
   
     //删除设备节点，注意2.6内核较早版本的函数名是class_device_destroy，现该为device_destroy  
     device_destroy(button_class,MKDEV(device_major,0));  
   
     //注销类  
     class_destroy(button_class);  
 }  

5、至于mdev的配置文件/etc/mdev.conf，这个可有可无，只是设定设备文件的一些规则。我这里就不管他了，让他为空好了。

6、完成以上步骤后，重新编译文件系统，下载到开发板上，启动开发板后进入开发板的/dev目录查看，就会有很多系统设备节点在这里产生了，我们就可以直接使用这些设备节点了。