一、Linux固件子系統(tǒng)概述

固件是硬件設(shè)備自身執(zhí)行的一段程序。固件一般存放在設(shè)備flash內(nèi)。而出于成本和便利性的考慮，通常是先將硬件設(shè)備的運(yùn)行程序打包為一個(gè)特定格式的固件文件，存儲(chǔ)到終端系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)終端系統(tǒng)給硬件設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員調(diào)試外設(shè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，比如觸控，充電，線性馬達(dá)，存儲(chǔ)，WIFI設(shè)備等，同樣存在需要更新固件的情況。在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處于內(nèi)核態(tài)，而固件文件處于用戶態(tài)，因此需要一個(gè)安全穩(wěn)定可靠的機(jī)制，用來(lái)確保設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序成功加載固件文件。為了解決設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序從內(nèi)核態(tài)穩(wěn)定加載用戶態(tài)固件文件的問(wèn)題，Linux系統(tǒng)提供了固件子系統(tǒng)。

二、Linux固件子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制

1. 流程簡(jiǎn)介:

Linux固件子系統(tǒng)基于sysfs 和uevent機(jī)制實(shí)現(xiàn)。
驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用固件系統(tǒng)函數(shù)接口申請(qǐng)固件之后，固件子系統(tǒng)使用固件編譯內(nèi)核的方式去獲取固件；如果獲取失敗，就使用固件緩存的方式去獲取固件；如果仍然獲取失敗，就使用默認(rèn)路徑內(nèi)核直接查找的方式去獲取固件。如果還是獲取失敗，就通過(guò)上報(bào)uevent消息給init進(jìn)程。init進(jìn)程則接收到uevent消息，過(guò)濾出subsystem類型為firmware的消息。init進(jìn)程根據(jù)uevent消息內(nèi)指向的固件信息去查找固件，通過(guò)sysfs提供的文件節(jié)點(diǎn)接口，把獲取的固件內(nèi)容從用戶態(tài)寫入內(nèi)核態(tài)，從而使驅(qū)動(dòng)程序，獲取到固件文件的數(shù)據(jù)。
Linux固件系統(tǒng)提供了多種在不同場(chǎng)景下獲取固件文件的方法。

1）直接編譯到內(nèi)核的方式；

2）固件緩存的方式；

3）直接根據(jù)內(nèi)核指定路徑的方式：

4）通過(guò)init進(jìn)程來(lái)協(xié)助處理的方式；

2. 流程框圖：

3. 主要函數(shù)接口：

主要函數(shù)接口：?申請(qǐng)固件接口主要類型分為同步和異步。
通常申請(qǐng)固件的過(guò)程比較耗時(shí)，以及處理固件升級(jí)的過(guò)程比較耗時(shí)，因此可以采用異步函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)，或者在驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)先創(chuàng)建工作隊(duì)列調(diào)用同步函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)。?其中：

• 內(nèi)核申請(qǐng)固件文件調(diào)用 request_firmware函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

• 內(nèi)核獲取固件文件后調(diào)用release_firmware釋放相關(guān)的內(nèi)存。

其中：

• request_firmware_direct接口只在內(nèi)核指定的路徑內(nèi)查找固件，不使用uevent機(jī)制來(lái)獲取固件。

• request_firmware_nowait接口是通過(guò)異步的工作隊(duì)列去獲取固件，可以起到不阻塞驅(qū)動(dòng)probe時(shí)間的作用。

4.?實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

（1）request_firmware實(shí)現(xiàn)流程：

request_firmware函數(shù)通過(guò)調(diào)用_request_firmware_prepare函數(shù)，設(shè)置不同的標(biāo)志位，實(shí)現(xiàn)不同的差異功能。
a. _request_firmware_prepare函數(shù):
在打開(kāi)CONFIG_FW_LOADER宏開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)上，首先通過(guò)調(diào)用fw_get_builtin_firmware函數(shù)的方式，判斷固件文件是否編譯到內(nèi)核。

接著調(diào)用fw_lookup_and_allocate_buf函數(shù)，判斷全局fw_cache結(jié)構(gòu)內(nèi)鏈表是否記錄過(guò)當(dāng)前請(qǐng)求firmware的name。如果不存在當(dāng)前請(qǐng)求firmware的name，則動(dòng)態(tài)分配對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間并且添加當(dāng)前請(qǐng)求firmware的name到全局的fw_cache結(jié)構(gòu)內(nèi)的鏈表。
b. ?fw_get_filesystem_firmware函數(shù):
主要是通過(guò)內(nèi)核提供的默認(rèn)路徑去查找固件文件，調(diào)用kernel_read_file_from_path函數(shù)。如果沒(méi)有查找到固件文件，則通過(guò)標(biāo)志位FW_OPT_USERHELPER判斷，是否啟用USER_HELPER模式實(shí)現(xiàn)。
其中:

Firmware系統(tǒng)內(nèi)默認(rèn)路徑如下：

默認(rèn)路徑可以通過(guò)kernel command line的方式來(lái)增加一個(gè)路徑，通過(guò)module_param_string接口傳遞給變量path來(lái)客制化新增路徑。

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（2） USER_HELPER模式：

在內(nèi)核打開(kāi)CONFIG_FW_LOADER_USER_HELPER之后，才支持該功能。主要功能就是通過(guò)kernel上報(bào)uevent消息給到init進(jìn)程，通過(guò)init進(jìn)程獲取固件信息寫入底層sysfs節(jié)點(diǎn)。
a. ?fw_load_from_user_helper函數(shù)：
先調(diào)用fw_create_instance函數(shù)創(chuàng)建device設(shè)備，class文件和屬性文件，以及分配firmware_priv結(jié)構(gòu)體。
接著在?/sys/class/firmware 下將創(chuàng)建一個(gè)目錄，該目錄使用設(shè)備名作為它的目錄名。
該目錄包含三個(gè)屬性：?

• loading：

設(shè)置為?1：該屬性由負(fù)責(zé)裝載固件的用戶空間設(shè)置1開(kāi)始；

設(shè)置為?0：當(dāng)裝載過(guò)程完畢；

設(shè)置為?-1：將終止固件裝載過(guò)程。

• data：

用來(lái)接收固件數(shù)據(jù)，在設(shè)置完?loading 后，用戶空間進(jìn)程把固件寫入該屬性。

• device：

/sys/devices 下相應(yīng)入口的符號(hào)鏈接。

• timeout：

默認(rèn)申請(qǐng)firmware通過(guò)uevent方式最大超時(shí)時(shí)間為60S，支持上層寫入超時(shí)時(shí)間。?b. ?_request_firmware_load函數(shù)：
首先先禁用uevent上報(bào)，通過(guò)調(diào)用device_add函數(shù)添加設(shè)備，觸發(fā)調(diào)用firmware_uevent函數(shù)。其中，填充uevent上報(bào)的信息格式，包括固件的名稱，超時(shí)時(shí)間，是否異步。

下一步則啟用uevent上報(bào)功能，同時(shí)調(diào)用kobject_uevent函數(shù)，上報(bào)add動(dòng)作類型給到上層ueventd。

接著調(diào)用fw_state_wait_timeout函數(shù)，在預(yù)設(shè)的超時(shí)時(shí)間內(nèi)等待上層ueventd的處理。
若超時(shí)時(shí)間達(dá)到或者收到完成量喚醒，則釋放之前申請(qǐng)的內(nèi)存，釋放device，class等內(nèi)存信息。

（3）ueventd相關(guān)firmware處理流程

Ueventd是init進(jìn)程內(nèi)重要的模塊，它主要處理selinux，dev設(shè)備創(chuàng)建，監(jiān)聽(tīng)kernel上報(bào)uevent消息，firmware固件加載等內(nèi)容。
a. ?FirmwareHandler處理流程：
FirmwareHandler內(nèi)的HandleUevent方法主要是處理firmware固件加載和底層節(jié)點(diǎn)的交互流程。
首先先判斷uevent消息的subsystem類型是firmware字段才進(jìn)行處理，這個(gè)類型只有kernel內(nèi)firmware模塊才會(huì)上報(bào)。
HandleUevent主要是通過(guò)一個(gè)主線程創(chuàng)建不同的子線程，并行分別處理來(lái)自kernel的不同驅(qū)動(dòng)的firmware請(qǐng)求。

b. ?ProcessFirmwareEvent函數(shù):
首先是循環(huán)判斷ueventd支持的路徑內(nèi)檢索固件文件是否存在；若存在，則寫入底層loading屬性文件為1，同時(shí)拷貝獲取的固件文件，寫入到底層data文件。完成之后則寫入底層loading屬性文件為0。
至此，kernel就獲取到了用戶空間寫入的固件文件信息。

其中:

ueventd 默認(rèn)支持搜索固件的路徑：

來(lái)自?ueventd.rc文件內(nèi)指定的firmware_directory。

原文作者：內(nèi)核工匠