【Linux开发】linux设备驱动归纳总结（八）：1.总线、设备和驱动

linux设备驱动归纳总结（八）：1.总线、设备和驱动

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这几天一直在看设备模型，内核的代码看得我越来越沮丧，特别是kboject、kset和ktype之间的关系。但是，设备模型的归纳我打算先跳过这几个重要结构体，先介绍总线、设备和驱动——设备管理的相关内容。先介绍如何使用，有机会介绍大概的原理。

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一、sysfs文件系统

设备模型是2.6内核新引入的特征。设备模型提供了一个独立的机制专门来表示设备，并描述其在系统中的拓扑结构。

在2.4内核中，设备的信息放在/proc中。

而在2.6内核，内核把设备相关的信息归类在新增加sysfs文件系统，并将它挂载到/sys目录中，把设备信息归类的同时，让用户可以通过用户空间访问。

接下来简单介绍一些sys中的目录：

block：用于管理块设备，系统中的每一个块设备会在该目录下对应一个子目录。

bus：用于管理总线，没注册一条总线，在该目录下有一个对应的子目录。

其中，每个总线子目录下会有两个子目录：devices和drivers。

devices包含里系统中所有属于该总线的的设备。

drivers包含里系统中所有属于该总线的的驱动。

class：将系统中的设备按功能分类。

devices：该目录提供了系统中设备拓扑结构图。

dev：该目录已注册的设备节点的视图。

kernel：内核中的相关参数。

module：内核中的模块信息。

fireware：内核中的固件信息。

Fs：描述内核中的文件系统。

上面的目录，接下来的章节会常常提起bus和device。

再说说这些目录,来个简单的命令：

root@xiaobai-laptop:/sys# ll class/net/eth0

lrwxrwxrwx 1 root root 0 2011-01-31 10:11 class/net/eth0 -> ../../devices/pci0000:00/0000:00:1c.5/0000:86:00.0/net/eth0/

上面的命令也可以看到class/net/eth0的路径其实就是devices目录中一个网卡设备的软连接。

贴个书上的图：

由上面两个例子看到，sys中的其他目录都是将devvice目录下的数据加以转换加工而得。上面的图中，将use设备归类到bus总线上，又把它归类到class。正是在sys中有很多这样的结构，内核就有一个完整而且复杂的拓扑结构图。

而维护这些关系的结构体就包括kobject、kset、ktype和subsystem等数据结构，不过这里就先不介绍。

通过设备模型，内核就能实现多种不同的任务，如：

1、电源管理和系统关机。

2、与用户空间通信。这个就比较容易理解，sys目录向用户展示了设备模型的结构图。

3、热插拔设备。大概意思就是，当设备插入后，内核会根据插入的设备安装驱动，设备拔出后，内核又会自动卸载驱动。

4、设备类型。将设备归类。

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在接下来的内容会简单介绍总线、设备和驱动程序的概念和函数调用，以下的函数我将模拟创建一条ubs总线，一个usb设备和一个usb驱动。

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二、总线

总线是处理器和设备之间的通道，在设备模型中，所有的设备都通过总线相连，以总线来管理设备和驱动函数。总线有bus_type结构表示。

/*linux/device.h*/

51 struct bus_type {

52 const char *name;

53 struct bus_attribute *bus_attrs;

54 struct device_attribute *dev_attrs;

55 struct driver_attribute *drv_attrs;

56

57 int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);

58 int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);

59 int (*probe)(struct device *dev);

60 int (*remove)(struct device *dev);

61 void (*shutdown)(struct device *dev);

62

63 int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);

64 int (*suspend_late)(struct device *dev, pm_message_t state);

65 int (*resume_early)(struct device *dev);

66 int (*resume)(struct device *dev);

67

68 struct dev_pm_ops *pm;

69

70 struct bus_type_private *p;

71 };

红色部分是以后将会介绍的成员，其中name是总线的名字， bus_attrs是总线的属性，那些函数指针的操作总线的方法，在这一章节先不讲总线的方法。

总线的注册和删除：

总线的注册有两个步骤：

1、定义一个bus_type结构体，并设置好需要设置的结构体成员。

2、调用函数bus_register注册总线。函数原型如下：

/*drivers/base/bus.c*/

865 int bus_register(struct bus_type *bus)

该调用有可能失败，所以必须检查它的返回值，如果注册成功，会在/sys/bus下看到指定名字的总线。

总线删除时调用：

/*drivers/base/bus.c*/

946 void bus_unregister(struct bus_type *bus)

接下来贴个函数：

/*8th_devModule_1/1st/bus.c*/

1 #include

2 #include

3

4 #include

5

6 struct bus_type usb_bus = {

7 .name = "usb", //定义总线的名字为usb，注册成功后将在/sys/bus目录下看到

8 }; //目录usb，如果你的系统已经有usb总线，那你就要换个名字。

9

10 static int __init usb_bus_init(void)

11 {

12 int ret;

13 /*总线注册，必须检测返回值*/

14 ret = bus_register(&usb_bus);

15 if(ret){

16 printk("bus register failed!\n");

17 return ret;

18 }

19

20 printk("usb bus init\n");

21 return 0;

22 }

23

24 static void __exit usb_bus_exit(void)

25 {

26 bus_unregister(&usb_bus);

27 printk("usb bus bye!\n");

28 }

29

30 module_init(usb_bus_init);

31 module_exit(usb_bus_exit);

32

33 MODULE_LICENSE("GPL");

上面的函数可以看到，我仅仅定义了总线的名字为usb，其他的都没有做。看看效果：

[root: 1st]# insmod bus.ko

usb bus init

[root: 1st]# ls /sys/bus/usb/ //sys/bus目录下多了一个usb的目录，但是里面的东西都是空的，

devices drivers_autoprobe uevent //因为我仅仅设置了总线的名字

drivers drivers_probe

总线属性添加和删除：

个人理解，设置总线的属性后，会在对应的总线目录下增加了一个新的文件，通过对该文件的读写访问，触发相应的函数操作，从而实现/sys/的文件接口与内核设备模型的数据交互。

/*linux/sysfs.h*/

28 struct attribute {

29 const char *name; //设定该文件的名字

30 struct module *owner; //设定该文件的属主

31 mode_t mode; //设定该文件的文件操作权限

32 };

/*linux/device.h*/

38 struct bus_attribute {

39 struct attribute attr;

40 ssize_t (*show)(struct bus_type *bus, char *buf);

41 ssize_t (*store)(struct bus_type *bus, const char *buf, size_t count);

42 };

bus_attribute中有两个函数指针，show和store。

当访问总线目录中的name文件时，就会触发show函数，一般会将指定的信息存放到数组buf，并传到用户空间显示。

当修改总线目录中的name文件是，就会触发stroe函数，一般会将从用户空间传来的buf指针存放的count个字节内容存放到内核中。

由此可以看到，通过这样的文件，就能实现sys目录下的文件与内核设备模型之间的数据交互。

设置总线属性有两个步骤：

、创建并初始化bus_attribute结构，使用宏BUS_ATTR

BUS_ATTR(_name, _mode, _show, _store)

该宏会定义一个名叫bus_attr__name（红色部分是固定的）的bus_attibute的结构，并且成员name设置为_name，文件权限mode设置为_mode，两个函数调用分别人show和store。

、将bus_attibute添加到指定的总线上，使用以下调用：

/*/drivers/base/bus.c*/

123 int bus_create_file(struct bus_type *bus, struct bus_attribute *attr)

该函数失败时返回错误号。

一旦调用该函数，会就在指定bus总线的目录下新建一个名叫_name的文件，权限为_mode，当访问和修改该文件是会分别调用show和store函数调用。

如果不需要该属性时，使用以下函数删除：

/*/drivers/base/bus.c*/

135 void bus_remove_file(struct bus_type *bus, struct bus_attribute *attr)

说了这么多，马上来个程序：

/*8th_devModule_1/2nd/bus.c*/

1 #include

2 #include

3

4 #include

5

6 #define VER_SIZE 100

7

8 struct bus_type usb_bus = {

9 .name = "usb",

10 };

11

12 char Version[VER_SIZE] = "xiaobai V1.0";

13

14 static ssize_t show_bus_version(struct bus_type *bus, char *buf)

15 {

16 return snprintf(buf, VER_SIZE, "%s\n", Version);

17 }

18 static ssize_t store_bus_version(struct bus_type *bus, const char *buf, size_t count)

19 {

20 return snprintf(Version, VER_SIZE, "%s", buf);

21 }

22 /*该宏会定义一个名叫bus_attr_version的bus_attribute的结构，并且成员name设置为

23 * version，文件权限mode设置为S_IRUGO|S_IWUGO，并设置show函数为

24 * show_bus_version，stror 函数为stroe_bus_version*/

25 static BUS_ATTR(version, S_IRUGO|S_IWUGO, show_bus_version, store_bus_version);

26

27 static int __init usb_bus_init(void)

28 {

29 int ret;

30

31 /*总线注册*/

32 ret = bus_register(&usb_bus);

33 if(ret){

34 printk("bus register failed!\n");

35 goto err1;

36 }

37 /*为总线添加属性，调用成功后在/sys/bus/usb目录下有一个version的文件，权限为

38 * S_IRUGO|S_IWUGO，查看该文件时会调用函数show_bus_version,修改时调用store。*/

39 ret = bus_create_file(&usb_bus, &bus_attr_version);

40 if(ret){

41 printk("bus creat file failed!\n");

42 goto err2;

43 }

44 printk("usb bus init\n");

45 return 0;

46

47 err2:

48 bus_unregister(&usb_bus);

49 err1:

50 return ret;

51 }

52

53 static void __exit usb_bus_exit(void)

54 {

55 bus_remove_file(&usb_bus, &bus_attr_version); //不调用这个也可以的，删除总线时会删除

56 bus_unregister(&usb_bus);

57 printk("usb bus bye!\n");

58 }

验证一下：

[root: 2nd]# insmod bus.ko

usb bus init

[root: 2nd]# ls /sys/bus/usb/

devices drivers_autoprobe uevent

drivers drivers_probe version //多了一个version文件

[root: 2nd]# ls -l /sys/bus/usb/version //文件的权限的可读可写（S_IRUGO|S_IWUGO）

-rw-rw-rw- 1 root root 4096 Oct 27 23:46 /sys/bus/usb/version

[root: 2nd]# cat /sys/bus/usb/version //读文件时触发show函数

xiaobai V1.0

[root: 2nd]# echo "haha"> /sys/bus/usb/version //写文件是触发store函数

[root: 2nd]# cat /sys/bus/usb/version

haha

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三、设备

在最底层，linux系统中每个设备都用一个device结构的表示，如下，我省略掉部分成员：

/*linux/device.h*/

369 struct device {

370 struct klist klist_children;

371 struct klist_node knode_parent; /* node in sibling list */

372 struct klist_node knode_driver;

373 struct klist_node knode_bus;

374 struct device *parent; //指定该设备的父设备，如果不指定(NULL)，注册后的设备目录

375 ///在sys/device下

376 struct kobject kobj;

377 char bus_id[BUS_ID_SIZE]; /* position on parent bus */ //在总线生识别设备的字符串，

385 //同时也是设备注册后的目录名字。

386 struct bus_type *bus; /* type of bus device is on */ //指定该设备连接的总线

387 struct device_driver *driver; /* which driver has allocated this

388 device */ //管理该设备的驱动函数

389 void *driver_data; /* data private to the driver */ //驱动程序的私有数据

392 struct dev_pm_info power;

422 void (*release)(struct device *dev); //当给设备的最后一个引用被删除时，调用该函数

423 };

在注册一个完整的device结构前，至少定义parrent、bus_id、bus和release成员。但我接下来的程序仅仅定义了bus_id（指定目录的名字）、bus（对应的总线，不加也行）和release（这是必须的，不然卸载模块时会出错，不信自己试试）。

设备注册和注销：

与总线的注册一样：

、定义结构体device。

、调用注册函数：

int device_register(struct device *dev)

函数失败返回非零，需要判断返回值来检查注册是否成功。

设备注销函数：

void device_unregister(struct device *dev)

设备属性：

这个也是和总线属性差不多，不细讲：

设备相关的结构体和总线的类似，处理指定文件属性为，还定义了show和store两个函数。

/*linux/device.h*/

300 struct device_attribute {

301 struct attribute attr;

302 ssize_t (*show)(struct device *dev, struct device_attribute *attr,

303 char *buf);

304 ssize_t (*store)(struct device *dev, struct device_attribute *attr,

305 const char *buf, size_t count);

306 };

设置设备属性有两个步骤：

、创建并初始化device_attribute结构，使用宏DEVICE_ATTR

DEVICE_ATTR(_name, _mode, _show, _store)

该宏会定义一个名叫dev_attr__name（红色部分是固定的）的device_attibute的结构，并且成员name设置为_name，文件权限mode设置为_mode，两个函数调用分别人show和store。

、将device_attibute添加到指定的设备上，使用以下调用：

/*drivers/base/core.c*/

430 int device_create_file(struct device *dev, struct device_attribute *attr)

该函数失败时返回错误号。

一旦调用该函数，会就在指定dev设备的目录下新建一个名叫_name的文件，权限为_mode，当访问和修改该文件是会分别调用show和store函数调用。

如果不需要该属性时，使用以下函数删除：

/*drivers/base/core.c*/

443 void device_remove_file(struct device *dev, struct device_attribute *attr)

讲了这么多，来个函数，和总线那个函数差不多，具体功能就是新建了一个执行名字(usb_device)的的设备目录，并且里面有一个属性文件version。

/*8th_devModule_1/3rd/device.c*/

1 #include

2 #include

3

4 #include

5

6 #define VER_SIZE 100

7

8 extern struct bus_type usb_bus;

10 void usb_dev_release(struct device *dev)

11 {

12 printk(" release\n");

13 }

15 struct device usb_device = {

16 .bus_id = "usb_device",

17 .bus = &usb_bus, //指定该设备的总线，这样会在sys/bus/usb/device目录下有一个软连接

18 .release = usb_dev_release, //必须要都有release函数，不然卸载时会出错

19 };

11

12 char Version[VER_SIZE] = "xiaobai V1.0";

13

14 static ssize_t show_device_version(struct device *dev,

15 struct device_attribute *attr, char *buf)

16 {

17 return snprintf(buf, VER_SIZE, "%s\n", Version);

18 }

19 static ssize_t store_device_version(struct device *dev,

20 struct device_attribute *attr, const char *buf, size_t count)

21 {

22 return snprintf(Version, VER_SIZE, "%s", buf);

23 }

24 /*该宏会定义一个名叫dev_attr_version的device_attribute的结构，并且成员name设置

25 * 为version，文件权限mode设置为S_IRUGO|S_IWUGO，并设置show函数为

26 *show_device_version, ，stror函数为stroe_device_version*/

27 static DEVICE_ATTR(version, S_IRUGO|S_IWUGO,

28 show_device_version, store_device_version);

29

30 static int __init usb_device_init(void)

31 {

32 int ret;

33

34 /*设备注册，注册成功后在/sys/device目录下创建目录usb_device*/

35 ret = device_register(&usb_device);

36 if(ret){

37 printk("device register failed!\n");

38 goto err1;

39 }

40 /*为设备添加属性，调用成功后在/sys/device/usb_device/目录下有一个version的

41 * 文件，权限为S_IRUGO|S_IWUGO，查看该文件时会调用函数show_device_version,

42 * 修改时调用store_device_version。*/

43 ret = device_create_file(&usb_device, &dev_attr_version);

44 if(ret){

45 printk("device creat file failed!\n");

46 goto err2;

47 }

48 printk("usb device init\n");

49 return 0;

50

51 err2:

52 device_unregister(&usb_device);

53 err1:

54 return ret;

55 }

56

57 static void __exit usb_device_exit(void)

58 {

59 device_remove_file(&usb_device, &dev_attr_version);

60 device_unregister(&usb_device);

61 printk("usb device bye!\n");

62 }

63

64 module_init(usb_device_init);

65 module_exit(usb_device_exit);

再看看效果，这是没有设置总线(bus = &usb_bus)时的效果，代码在8th_devModule_1/3rd/device_bak.c，我没有编译，如果需要的话自己编译运行看看：

[root: 3rd]# insmod device.ko

usb device init

[root: /]# find -name "usb_device" //注册后查找一下在哪里有以设备bus_id为名字的目录

./sys/devices/usb_device ///sys/device下有一个

[root: /]#

[root: /]# ls /sys/devices/usb_device/ //里面有一个空文件，一个属性文件version

uevent version

[root: /]# cat /sys/devices/usb_device/version //查看一下version,调用shoe函数

xiaobai V1.0

[root: /]# echo "haha" > /sys/devices/usb_device/version //修改version，调用store函数

[root: /]# cat /sys/devices/usb_device/version

haha

下面的是程序8th_devModule_1/3rd/device.c的效果：

[root: /]# cd review_driver/8th_devModule/8th_devModule_1/3rd/

[root: 3rd]# insmod bus.ko //先加载总线的模块

usb bus init

[root: 3rd]# insmod device.ko //再加载设备的模块

usb device init

[root: 3rd]# cd /

[root: /]# find -name "usb_device" //查找一下usb_device，发现比没有指定总线时多了一个路径

./sys/devices/usb_device //这个目录的出现是因为语句（.bus = &usb_bus,）

./sys/bus/usb/devices/usb_device //这个目录的出现是因为语句（device_register(&usb_device);）

[root: /]# cat /sys/devices/usb_device/version

xiaobai V1.0

[root: /]# ls -l sys/bus/usb/devices //原来该路径只是一个软连接，是该设备归类到usb_bus总线下

lrwxrwxrwx 1 root root 0 Oct 27 13:49 usb_device -> ../../../devices/usb_device

[root: /]# rmmod device

release //下载时调用release函数调用，如果没有设置release，卸载时会出错。

usb device bye!

[root: /]# rmmod bus

usb bus bye!

[root: /]#

上面的验证需要先加载bus.ko，bus.c源程序和1st/bus.c的函数没什么区别，只是将usb_bus导出到符号表。不然的话，加载模块时不能找到对应的总线。

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四、驱动程序

设备模型跟踪所有系统所知道的设备。进行跟踪的主要原因是让驱动程序协调与设备之间的关系。

先看驱动程序的结构体，我仅仅贴出一些重要的成员：

/*linux/device.h*/

122 struct device_driver {

123 const char *name; //驱动函数的名字，在对应总线的driver目录下显示

124 struct bus_type *bus; //指定该驱动程序所操作的总线类型，必须设置，不然会注册失败

125

126 struct module *owner;

127 const char *mod_name; /* used for built-in modules */

128

129 int (*probe) (struct device *dev); //探测函数，以后会讲

130 int (*remove) (struct device *dev); //卸载函数，当设备从系统中删除时调用，以后讲

131 void (*shutdown) (struct device *dev); //当系统关机是调用

132 int (*suspend) (struct device *dev, pm_message_t state);

133 int (*resume) (struct device *dev);

134 struct attribute_group **groups;

135

136 struct dev_pm_ops *pm;

137

138 struct driver_private *p;

139 };

和设备不一样的是，在注册驱动函数是必须指定该驱动函数对应的总线，因为驱动函数注册成功后，会存放在对应总线的driver目录下，如果没有总线，注册当然会失败。

与总线的注册一样：

、定义结构体device_driver。

、调用注册函数：

214 int driver_register(struct device_driver *drv)

函数失败返回非零，需要判断返回值来检查注册是否成功。

设备注销函数：

249 void driver_unregister(struct device_driver *drv)

驱动函数属性：

这个也是和总线属性差不多，不细讲：

驱动函数相关的结构体和总线的类似，处理指定文件属性为，还定义了show和store两个函数。

155 struct driver_attribute {

156 struct attribute attr;

157 ssize_t (*show)(struct device_driver *driver, char *buf);

158 ssize_t (*store)(struct device_driver *driver, const char *buf,

159 size_t count);

160 };

设置设备属性有两个步骤：

、创建并初始化device_attribute结构，使用宏DEVICE_ATTR

DRIVER_ATTR(_name, _mode, _show, _store)

该宏会定义一个名叫driver_attr__name（红色部分是固定的）的driver_attibute的结构，并且成员name设置为_name，文件权限mode设置为_mode，两个函数调用分别人show和store。

、将device_attibute添加到指定的驱动函数上，使用以下调用：

/*drivers/base/driver.c*/

93 int driver_create_file(struct device_driver *drv, struct driver_attribute *attr)

该函数失败时返回错误号。

一旦调用该函数，会就在指定dev设备的目录下新建一个名叫_name的文件，权限为_mode，当访问和修改该文件是会分别调用show和store函数调用。

如果不需要该属性时，使用以下函数删除：

/*drivers/base/driver.c*/

110 void driver_remove_file(struct device_driver *drv, struct driver_attribute *attr)

贴上函数：

/*8th_devModule_1/4th/driver.c*/

1 #include

2 #include

3

4 #include

5

6 #define VER_SIZE 100

7

8 extern struct bus_type usb_bus;

9

10 struct device_driver usb_driver = {

11 .name = "usb_driver",

12 .bus = &usb_bus,

13 };

14

15 char Version[VER_SIZE] = "xiaobai V1.0";

16

17 static ssize_t show_driver_version(struct device_driver *drv, char *buf)

18 {

19 return snprintf(buf, VER_SIZE, "%s\n", Version);

20 }

21 static ssize_t store_driver_version(struct device_driver *drv,

22 const char *buf, size_t count)

23 {

24 return snprintf(Version, VER_SIZE, "%s", buf);

25 }

26 /*该宏会定义一个名叫driver_attr_version的driver_attribute的结构，并且成员

27 * name设置为version，文件权限mode设置为S_IRUGO|S_IWUGO，并设置show函数为

28 * show_driver_version,stror函数为stroe_driver_version*/

29 static DRIVER_ATTR(version, S_IRUGO|S_IWUGO,

30 show_driver_version, store_driver_version);

31

32 static int __init usb_driver_init(void)

33 {

34 int ret;

35

36 /*驱动注册，注册成功后在/sys/bus/usb/driver目录下创建目录usb_driver*/

37 ret = driver_register(&usb_driver);

38 if(ret){

39 printk("driver register failed!\n");

40 goto err1;

41 }

42 /*为驱动添加属性，调用成功后在/sys/bus/usb/dirver目录下有一个version的

43 * 文件，权限为S_IRUGO|S_IWUGO，查看该文件时会调用函数show_driver_version,修改时

44 * 调用store_driver_version。*/

45 ret = driver_create_file(&usb_driver, &driver_attr_version);

46 if(ret){

47 printk("driver creat file failed!\n");

48 goto err2;

49 }

50 printk("usb driver init\n");

51 return 0;

52

53 err2:

54 driver_unregister(&usb_driver);

55 err1:

56 return ret;

57 }

58

59 static void __exit usb_driver_exit(void)

60 {

61 driver_remove_file(&usb_driver, &driver_attr_version);

62 driver_unregister(&usb_driver);

63 printk("usb driver bye!\n");

64 }

看看效果，同样必须先加载bus.ko：

[root: /]# cd review_driver/8th_devModule/8th_devModule_1/4th/

[root: 4th]# insmod bus.ko //必须先加载总线

usb bus init

[root: 4th]# insmod driver.ko

usb driver init

[root: 4th]# cd /

[root: /]# find -name "usb_driver" //只有一处创建了usb_driver目录

./sys/bus/usb/drivers/usb_driver

[root: /]# ls /sys/bus/usb/drivers/usb_driver/

bind uevent unbind version

[root: /]# cat /sys/bus/usb/drivers/usb_driver/version //访问version文件是触发show函数

xiaobai V1.0

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五、总结

这节讲得内容其实不多，归纳起来就是四个函数一个属性结构体。

属性结构体：xx_attribute。

注册函数：xx_register。

注销函数：xx+unregister。

创建属性文件函数：xx_create_file。

删除属性文件函数：xx_remove_file。

其中xx可以是总线(bus)、设备(device)或者驱动函数(deriver)。

一但注册成功，就会在/sys目录下相应的地方创建一个自己命名的目录。其中，设备和驱动函数还可以添加到指定的bus目录下。

总线的成功注册后会在/sys/bus目录下创建相应的目录。

设备的成功注册后会在/sys/device目录下创建相应的目录，如果指定总线，会在指定总线目录/sys/bus/xx/device下创建一个指向/sys/device目录的软连接。

驱动函数的公共注册会在/sys/bus/xx/driver目录下创建相应的目录。

属性文件提供了shoe和store两个函数调用，当读写文件时会触发相应的函数调用，实现内核sysfs与用户空间的数据交互。

三者具体的关系就在后面章节介绍。

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源代码： 8th_devModule_1.rar