深入浅出理解Linux固件(firmware)子系统

固件(firmware)是硬件设备自身执行的一段程序。固件一般存放在设备flash内。而出于成本和便利性的考虑,通常是先将硬件设备的运行程序打包为一个特定格式的固件文件,存储到终端系统内,通过终端系统给硬件设备进行升级。

Linux内核开发过程中,开发人员调试外设驱动设备,比如触控,充电,线性马达,存储,WIFI设备等,同样存在需要更新固件的情况。在Linux系统中,设备驱动程序处于内核态,而固件文件处于用户态,因此需要一个安全稳定可靠的机制,用来确保设备驱动程序成功加载固件文件。

为了解决设备驱动程序从内核态稳定加载用户态固件文件的问题,Linux系统提供了固件子系统。

Linux固件子系统流程简介

Linux固件子系统基于sysfs 和uevent机制实现。

驱动程序调用固件系统函数接口申请固件之后,固件子系统使用固件编译内核的方式去获取固件;如果获取失败,就使用固件缓存的方式去获取固件;如果仍然获取失败,就使用默认路径内核直接查找的方式去获取固件。如果还是获取失败,就通过上报uevent消息给init进程。init进程则接收到uevent消息,过滤出subsystem类型为firmware的消息。init进程根据uevent消息内指向的固件信息去查找固件,通过sysfs提供的文件节点接口,把获取的固件内容从用户态写入内核态,从而使驱动程序,获取到固件文件的数据。

Linux固件系统提供了多种在不同场景下获取固件文件的方法。

1)直接编译到内核的方式;

2)固件缓存的方式;

3)直接根据内核指定路径的方式:

4)通过init进程来协助处理的方式;

Linux固件子系统流程框图

Linux固件子系统实现机制

Linux固件子系统主要函数接口

主要函数接口:

申请固件接口主要类型分为同步和异步。

通常申请固件的过程比较耗时,以及处理固件升级的过程比较耗时,因此可以采用异步函数接口实现,或者在驱动程序内先创建工作队列调用同步函数接口实现。

其中:

  • 内核申请固件文件调用 request_firmware函数实现。
  • 内核获取固件文件后调用release_firmware释放相关的内存。

主要函数接口

其中:

  • request_firmware_direct接口只在内核指定的路径内查找固件,不使用uevent机制来获取固件。
  • request_firmware_nowait接口是通过异步的工作队列去获取固件,可以起到不阻塞驱动probe时间的作用。

主要函数接口

Linux固件子系统实现过程

request_firmware实现流程

request_firmware函数通过调用_request_firmware_prepare函数,设置不同的标志位,实现不同的差异功能。

_request_firmware_prepare函数:

在打开CONFIG_FW_LOADER宏开关基础上,首先通过调用fw_get_builtin_firmware函数的方式,判断固件文件是否编译到内核。

request_firmware实现流程

接着调用fw_lookup_and_allocate_buf函数,判断全局fw_cache结构内链表是否记录过当前请求firmware的name。如果不存在当前请求firmware的name,则动态分配对应的内存空间并且添加当前请求firmware的name到全局的fw_cache结构内的链表。

fw_get_filesystem_firmware函数

主要是通过内核提供的默认路径去查找固件文件,调用kernel_read_file_from_path函数。如果没有查找到固件文件,则通过标志位FW_OPT_USERHELPER判断,是否启用USER_HELPER模式实现。

其中:

Firmware系统内默认路径如下:

Firmware系统内默认路径

默认路径可以通过kernel command line的方式来增加一个路径,通过module_param_string接口传递给变量path来客制化新增路径。

Firmware系统内默认路径

USER_HELPER模式

在内核打开CONFIG_FW_LOADER_USER_HELPER之后,才支持该功能。主要功能就是通过kernel上报uevent消息给到init进程,通过init进程获取固件信息写入底层sysfs节点。

fw_load_from_user_helper函数:

先调用fw_create_instance函数创建device设备,class文件和属性文件,以及分配firmware_priv结构体。

接着在 /sys/class/firmware 下将创建一个目录,该目录使用设备名作为它的目录名。

该目录包含三个属性:

  • loading:

设置为 1:该属性由负责装载固件的用户空间设置1开始;

设置为 0:当装载过程完毕;

设置为 -1:将终止固件装载过程。

  • data:

用来接收固件数据,在设置完 loading 后,用户空间进程把固件写入该属性。

  • device:

/sys/devices 下相应入口的符号链接。

  • timeout:

默认申请firmware通过uevent方式最大超时时间为60S,支持上层写入超时时间。

_request_firmware_load函数:

首先先禁用uevent上报,通过调用device_add函数添加设备,触发调用firmware_uevent函数。其中,填充uevent上报的信息格式,包括固件的名称,超时时间,是否异步。

_request_firmware_load函数

下一步则启用uevent上报功能,同时调用kobject_uevent函数,上报add动作类型给到上层ueventd。

_request_firmware_load函数

接着调用fw_state_wait_timeout函数,在预设的超时时间内等待上层ueventd的处理。

若超时时间达到或者收到完成量唤醒,则释放之前申请的内存,释放device,class等内存信息。

ueventd相关firmware处理流程

Ueventd是init进程内重要的模块,它主要处理selinux,dev设备创建,监听kernel上报uevent消息,firmware固件加载等内容。

FirmwareHandler处理流程:

FirmwareHandler内的HandleUevent方法主要是处理firmware固件加载和底层节点的交互流程。

首先先判断uevent消息的subsystem类型是firmware字段才进行处理,这个类型只有kernel内firmware模块才会上报。

HandleUevent主要是通过一个主线程创建不同的子线程,并行分别处理来自kernel的不同驱动的firmware请求。

FirmwareHandler处理流程

ProcessFirmwareEvent函数

首先是循环判断ueventd支持的路径内检索固件文件是否存在;若存在,则写入底层loading属性文件为1,同时拷贝获取的固件文件,写入到底层data文件。完成之后则写入底层loading属性文件为0。

至此,kernel就获取到了用户空间写入的固件文件信息。

ProcessFirmwareEvent函数

其中:

ueventd 默认支持搜索固件的路径:

来自 ueventd.rc文件内指定的firmware_directory。

ProcessFirmwareEvent函数

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