hwmon:硬件监控——温度/电压/风扇转速的统一框架

🔨 整理中 · 这一篇拆 hwmon 子系统:framework 怎么从一张 hwmon_chip_info 表自动生成 /sys/class/hwmon/ 下那一堆 temp1_input/in0_min 文件、怎么在用户 cat 时分派到驱动回调,再拿 NXP LM75 的 lm75.c(1141 行,I2C 温度传感器,hwmon 最经典的驱动之一)逐段走读它的 chip_info 配置、read 回调、单位换算、多芯片变体处理。每个 API 都对照 LM75 硬件的特性讲。动手部分在真板/宿主验过之前标"待亲测"。

做什么

服务器和嵌入式板子上散布着各种"硬件状态读数"传感器:CPU/板温、电源电压(3.3V/5V/12V)、电流、风扇转速、机箱入侵...它们来自不同硬件(CPU 内部 MSR、Super I/O 芯片、I2C/SPI 传感器、BMC),读法各异。hwmon(Hardware Monitoring) 子系统给它们一套统一抽象 + 标准 sysfs 接口:不论传感器在哪、怎么读,用户态都从 /sys/class/hwmon/hwmonN/<type><ch>_<attr> 读到统一格式的值(milli-unit),sensors 命令就是遍历这套 sysfs 打印。这一篇拆 framework 的"类型+通道+属性"模型 + 自动 sysfs 生成,再走读 LM75 这个典型。

要了解什么

〇、硬件背景:LM75——I2C 接口的数字温度传感器

要懂 hwmon 的 API(尤其"为什么 read 回调要做那种位运算换算"),得先懂温度传感器硬件。LM75(NXP/TI,经典中的经典)是一颗 I2C 接口的数字温度计:

内部结构:温度感应元件(硅带隙,温度→电压) + ΔΣ ADC 周期采样,把温度数字化存进寄存器;不需要 CPU 干预,自己周期性地刷新温度值。
寄存器布局(I2C 偏移,直接对应 lm75.c:84-95 的宏):
- 0x00 温度寄存器:16-bit 补码,有效位 9-12bit(精度可配),高位是符号位。LSB = 2^(resolution-8) °C——9bit 时 LSB=0.5°C、12bit 时 0.0625°C。
- 0x01 配置寄存器:设分辨率(9-12bit)、工作模式(正常/关断/比较/中断)。
- 0x02/0x03 THYST/TOS:欠温/超温阈值,可触发 OS(over-limit shutdown)引脚。
- I2C 地址 0x48-0x4F(8 个可选,A0-A2 地址脚配)。
采样周期随分辨率:9bit ~100ms、12bit ~400ms(分辨率越高越慢)。

几个直接决定 API 的硬件特性:

温度是补码、不是 BCD、有效位随分辨率变:读 0x00 拿到 16-bit 补码,要按当前 resolution 取有效位、再换算成毫摄氏度。→ 所以 hwmon read 回调里有个位运算换算 lm75_reg_to_mc(lm75.c:346),不是简单的"读个值乘 1000"。这是 LM75 硬件(可配精度 + 补码)逼出来的。
多档阈值 + 中断:TOS/THYST 寄存器存上下界,超界触发 OS 引脚(可接 SoC GPIO 当中断)。→ 所以 hwmon 暴露 temp1_max/temp1_max_hyst/temp1_max_alarm(超界告警)这一组属性,write 回调能设阈值。
LM75 系列兼容芯片一大堆,配置位不一样:LM75A/DS75/TMP102/PCT2075... 都是"LM75 兼容",但配置寄存器的 set/clr 掩码、分辨率、采样时间各不同。→ 所以驱动用一张 device_params[] 表(lm75.c:131-344)描述每款芯片的差异,probe 时按芯片 ID 选对应参数——这是 hwmon 驱动处理"一族兼容芯片"的典型套路。

所以 hwmon 的 API——read(读传感器值 + 换算)、write(设阈值)、is_visible(声明哪些属性可读/可写)——每条都对应硬件一个特性。

一、framework 全景:chip_info 驱动的"自动 sysfs 生成"

hwmon framework(drivers/hwmon/hwmon.c)的精髓是:驱动只声明"我这芯片能提供哪些类型的哪些通道的哪些属性"(一张位图表),framework 自动生成对应的 sysfs 文件,并在用户读/写时分派到驱动的 read/write 回调。驱动完全不用手建 sysfs。

声明用 HWMON_CHANNEL_INFO 宏(include/linux/hwmon.h:440):

/* hwmon.h:440 — 展开成一个 hwmon_channel_info,config 是 u32 位图 */
#define HWMON_CHANNEL_INFO(stype, ...)                  \
    (&(const struct hwmon_channel_info) {               \
        .type   = hwmon_##stype,                         /* 类型:temp/in/curr/fan/... */
        .config = (const u32 []) { __VA_ARGS__, 0 }      /* 每通道一个 u32,位图声明属性 */
    })

驱动把所有通道塞进 hwmon_chip_info.info[] 数组(每个元素一类),framework 注册时(devm_hwmon_device_register_with_info)遍历这张表、为每个"通道×属性"组合自动创建一个 sysfs 文件(temp1_input/temp1_max/in0_min...)。属性权限(可读/可写/不存在)由驱动的 is_visible 回调决定(hwmon.c:158 调 ops->is_visible(drvdata, type, attr, channel) 返回 mode)。

用户读时的分派:用户 cat /sys/class/hwmon/hwmon0/temp1_input → framework 的 sysfs show 回调 → 解析出"这是 temp 类、第 0 通道、input 属性" → 调 ops->read(dev, hwmon_temp, hwmon_temp_input, 0, &val)(hwmon.c:172)→ 驱动返回值 → framework 格式化进 sysfs。写同理,ops->write(hwmon.c:203)。这套"(type, channel, attr)三元组 → 回调"的分派,让一个 read 回调处理该芯片所有属性(switch 分支)。

二、核心数据结构:hwmon_chip_info / hwmon_ops / hwmon_channel_info

struct hwmon_chip_info(hwmon.h:453):一张芯片的"能力声明"——

struct hwmon_chip_info {                  /* hwmon.h:453 */
    const struct hwmon_channel_info **info;   /* 各类的通道信息数组(temp 类、in 类...) */
    const struct hwmon_ops *ops;              /* read/write/is_visible 回调 */
};

struct hwmon_ops(hwmon.h:417):三个回调——

struct hwmon_ops {                        /* hwmon.h:417 */
    umode_t (*is_visible)(const void *, enum hwmon_sensor_types, u32, int);  /* 该属性的权限(0444/0644/0) */
    int (*read)(const void *, enum hwmon_sensor_types, u32 attr, int channel, long *val);
    int (*write)(const void *, enum hwmon_sensor_types, u32 attr, int channel, long val);
};

read/write 的参数是 (drvdata, type, attr, channel, val)——一个回调靠 switch(type) switch(attr) 处理该芯片所有属性,channel 区分同类多通道(如 8 路温度的 temp1/temp2/.../temp8)。

类型(enum hwmon_sensor_types):hwmon_chip/hwmon_temp/hwmon_in(电压)/hwmon_curr/hwmon_fan/hwmon_pwm/hwmon_power...;属性位(每类一组):HWMON_T_INPUT/HWMON_T_MAX/HWMON_T_MAX_HYST/HWMON_T_ALARM/HWMON_T_MIN...(温度类)、HWMON_I_INPUT/HWMON_I_MIN/HWMON_I_MAX...(电压类)。这些位标志既是"声明能力"(写进 chip_info.config),又是"回调里 switch 的 attr 值"。

三、源码走读:lm75.c(NXP LM75 及兼容芯片,1141 行)

chip_info + ops 填充(:552):

/* lm75.c:552 — 声明能力:chip 类(update_interval) + temp 类(input/max/max_hyst/alarm) */
static const struct hwmon_channel_info * const lm75_info[] = {
    HWMON_CHANNEL_INFO(chip,        /* :553 芯片级:update_interval 属性 */
                       HWMON_C_REGISTER_TZ | HWMON_C_UPDATE_INTERVAL),
    HWMON_CHANNEL_INFO(temp,        /* :555 温度类:第 0 通道有 input/max/max_hyst/alarm */
                       HWMON_T_INPUT | HWMON_T_MAX | HWMON_T_MAX_HYST | HWMON_T_ALARM),
    NULL
};

static const struct hwmon_ops lm75_hwmon_ops = {     /* :561 */
    .is_visible = lm75_is_visible,
    .read       = lm75_read,
    .write      = lm75_write,
};

static const struct hwmon_chip_info lm75_chip_info = { /* :565 */
    .ops  = &lm75_hwmon_ops,
    .info = lm75_info,
};

framework 拿这张表自动生成 /sys/class/hwmon/hwmonN/:temp1_input/temp1_max/temp1_max_hyst/temp1_alarm/update_interval(权限由 lm75_is_visible 决定)。LM75 只有一个温度通道,所以是 temp1_*(channel=0→序号 1)。

read 回调——核心的"按 attr 读硬件 + 换算"(:366,关键段):

/* lm75.c:366 */
static int lm75_read(struct device *dev, enum hwmon_sensor_types type,
                     u32 attr, int channel, long *val)
{
    struct lm75_data *data = dev_get_drvdata(dev);
    unsigned int regval;
    int err, reg;

    switch (type) {
    case hwmon_temp:
        switch (attr) {                       /* 按 attr 选寄存器 */
        case hwmon_temp_input:    reg = LM75_REG_TEMP; break;
        case hwmon_temp_max:      reg = LM75_REG_MAX;  break;   /* TOS */
        case hwmon_temp_max_hyst: reg = LM75_REG_HYST; break;
        case hwmon_temp_alarm:    reg = LM75_REG_CONF; break;
        default: return -EINVAL;
        }
        err = regmap_read(data->regmap, reg, &regval);   /* I2C 读寄存器 */
        if (err < 0) return err;
        if (attr == hwmon_temp_alarm) {
            /* alarm 位:不同芯片位位置不同,按 kind 取 */
            ...
        } else {
            *val = lm75_reg_to_mc(regval, data->resolution);  /* :410 ⭐ 换算成毫摄氏度 */
        }
        break;
    case hwmon_chip:                          /* update_interval = 采样周期 */
        if (attr == hwmon_chip_update_interval) { *val = data->sample_time; ... }
        ...
    }
    return 0;
}

单位换算的位操作——这是 LM75 硬件逼出来的核心逻辑(:346):

/* lm75.c:346 — 把 16-bit 补码寄存器值换算成毫摄氏度 */
static inline long lm75_reg_to_mc(s16 temp, u8 resolution)
{
    return ((temp >> (16 - resolution)) * 1000) >> (resolution - 8);
}

这一行信息量极大:temp 是 16-bit 补码(读出的原始值);resolution 是当前精度(9-12)。temp >> (16-resolution) 把有效位右移到低位(9bit 时右移 7 位,取低 9 位有效);* 1000 转毫摄氏度;>> (resolution-8) 除以 LSB 的毫度数(9bit 时 LSB=0.5°C=500milli-degree,右移 1 位 = 除 2)。换算结果:一个 long 毫摄氏度值,framework 直接写进 temp1_input。这种"补码 + 可变精度 + 位运算"换算,是温度传感器驱动的特色——没有这步,读出来的温度是错的。

probe 完整流程(lm75_generic_probe:710,I2C probe 走它):

/* lm75.c:710(简化,保留关键) */
static int lm75_generic_probe(struct device *dev, const char *name,
                              enum lm75_type kind, int irq, struct regmap *regmap)
{
    data = devm_kzalloc(dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL);
    data->regmap = regmap;
    data->kind = kind;
    data->params = &device_params[kind];              /* ⭐ 按芯片型号选参数表(掩码/分辨率/采样时间) */
    data->sample_time = data->params->default_sample_time;
    data->resolution  = data->params->default_resolution;

    /* 读当前配置 + 按 params 的 set_mask/clr_mask 改配置(设分辨率等) */
    regmap_read(data->regmap, LM75_REG_CONF, &status);
    data->orig_conf = status;
    lm75_write_config(data, data->params->set_mask, data->params->clr_mask);

    devm_add_action_or_reset(dev, lm75_remove, data);  /* 注册逆操作(恢复 orig_conf) */

    hwmon_dev = devm_hwmon_device_register_with_info(dev, name, data, &lm75_chip_info, NULL);

    /* 可选:alarm 中断(部分芯片有 OS 引脚接 IRQ) */
    if (irq && data->params->alarm)
        devm_request_threaded_irq(dev, irq, NULL, lm75_alarm_handler, IRQF_ONESHOT, ...);

    return 0;
}

多芯片变体的 device_params[] 表(:131-344)——这是 LM75 驱动处理"一族兼容芯片"的核心。每款芯片一项:

/* lm75.c:131-344(每款芯片一项,示例) */
[as6200] = {                          /* TI AS6200 */
    .config_reg_16bits = true,        /* ⭐ 配置寄存器是 16 位(其他 LM75 兼容是 8 位!) */
    .set_mask = 0x94C0,
    .default_resolution = 12,
    .default_sample_time = 125,
    .alarm = true,
},
[lm75b] = {                           /* TI LM75B */
    .set_mask = 0x10,                 /* 不同的掩码 */
    .default_resolution = 11,
    .default_sample_time = 100,
    ...
},

每款的 set_mask/clr_mask(配置寄存器要 set/clr 的位)、default_resolution/default_sample_time、config_reg_16bits(配置寄存器 8 还是 16 位)、alarm(有没有超温告警引脚)都不同。驱动按 kind(从设备树 compatible / i2c_get_match_data 拿)选对应项。这种"一张参数表描述一族芯片"是处理兼容芯片的标准套路——换芯片不改代码,只加表项。

I2C regmap 自定义总线(:582):LM75 兼容芯片读温度/阈值用 i2c_smbus_read_word_swapped(高低字节交换),但配置寄存器有的是 8bit 有的是 16bit(config_reg_16bits),所以驱动注册一个自定义 regmap 总线(lm75_i2c_regmap_bus,:582 的 lm75_i2c_reg_read/reg_write),按寄存器类型选 byte/word 读取——而不是用 devm_regmap_init_i2c 的默认 SMBus。这也是"一族芯片寄存器宽度不统一"逼出来的细节。

四、数据流:`cat temp1_input` 到 LM75 温度寄存器

用户态:cat /sys/class/hwmon/hwmon0/temp1_input(或 sensors)。
sysfs:framework 的 tempN_input show 回调 → 解析出 (hwmon_temp, hwmon_temp_input, channel=0)。
framework 分派:调 ops->read(dev, hwmon_temp, hwmon_temp_input, 0, &val)(hwmon.c:172)。
驱动回调:lm75_read(lm75.c:366)→ switch 命中 hwmon_temp_input → reg = LM75_REG_TEMP → regmap_read(regmap, LM75_REG_TEMP, &regval)。
regmap → I2C:lm75_i2c_reg_read(:582,自定义总线)→ i2c_smbus_read_word_swapped(client, LM75_REG_TEMP) → SoC I2C 控制器读 LM75 的 0x00 寄存器。
硬件:LM75 返回 16-bit 补码温度(ADC 上次采样值)。
换算:lm75_reg_to_mc(regval, data->resolution)(:346)→ 毫摄氏度 long。
framework 拿到 *val,格式化写进 sysfs(35000 = 35.000°C)。

整条链每步在源码里:cat → ops->read:172 → lm75_read:366 → regmap_read → lm75_i2c_reg_read:582 → I2C → LM75 → lm75_reg_to_mc:346。

五、源码真踩坑(都是读源码才发现的)

单位换算不是"乘 1000"那么简单(lm75.c:346)。LM75 温度是补码 + 精度可变(9-12bit),换算要"右移取有效位 + 乘 1000 + 再右移除 LSB"。如果直接 regval * 1000 / 256,9-bit 模式下精度对不上、符号位也可能错。这种位运算换算是温度传感器(可变精度补码)的特色,电压/电流类(固定精度)就没这么绕。
配置寄存器宽度跨芯片不一致(:582/device_params.config_reg_16bits)。LM75 经典款配置寄存器是 8-bit,但 AS6200 等"兼容"芯片是 16-bit。驱动用自定义 regmap 总线按 config_reg_16bits 标志选 read_byte_data/read_word_data——用默认 devm_regmap_init_i2c 会对部分芯片读错配置。
多芯片变体的 set_mask/clr_mask 必须按芯片选(:131-344)。设分辨率/模式要写配置寄存器,但每款的掩码位不同,写错掩码会把芯片设进未定义状态。驱动用 device_params[kind].set_mask/clr_mask 精确控制——这就是为什么 LM75 驱动那张表那么长(几十款兼容芯片)。
alarm IRQ 是可选的、按芯片(:710/device_params.alarm)。只有 alarm=true 的芯片才有 OS 超温输出引脚、能接中断;没有的芯片 probe 时即使设备树给了 IRQ 也用不上(dev_err "alarm interrupt is not supported")。别假设所有 LM75 兼容芯片都支持 alarm。
采样周期 ≠ 读取即时性(device_params.default_sample_time)。LM75 自己周期采样(100-400ms),cat temp1_input 读到的是"上次 ADC 采样值",不是这一瞬间的温度——刚启动时可能读到上电默认值。update_interval 属性暴露这个采样周期,告诉用户态"这值多久刷一次"。
probe 改了配置、remove 要恢复(:710 devm_add_action_or_reset(lm75_remove))。probe 按 set_mask/clr_mask 改了配置寄存器(设分辨率等),卸载时 lm75_remove 恢复 orig_conf——否则模块卸了芯片还停在非默认配置。devm_ 的 action 机制保证即使 probe 中途失败也会回滚。

动手试试

LM75 在真板/Arduino 扩展板上常见;QEMU virt 没有标准 hwmon(可挂 virtio 或用 SoC 内置温度)。以下在宿主机或真板做。

sensors(装 lm-sensors)看所有 hwmon 读数;ls /sys/class/hwmon/;cat /sys/class/hwmon/hwmonN/{name,temp1_input}(除 1000 得摄氏度)。
cat /sys/class/hwmon/hwmonN/update_interval(若有)看采样周期;cat /sys/class/hwmon/hwmonN/temp1_max/temp1_max_alarm(若有)看阈值/告警。
读 drivers/hwmon/lm75.c 的 device_params[](:131-344)看几十款兼容芯片的参数差异,体会"一张表处理一族芯片"。
对照本篇第三/四节,把 lm75_read:366 的 switch + lm75_reg_to_mc:346 换算走一遍。
思考题:为什么 framework 用"chip_info 位图声明能力 + 自动生成 sysfs",而不是让驱动手建每个 sysfs 文件?(提示:统一命名/权限 + 少写大量样板 + sensors 工具能通用解析)

延伸阅读

源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):
- framework:drivers/hwmon/hwmon.c(注册 + sysfs 自动生成 + 调 ops->is_visible:158/read:172/write:203)、include/linux/hwmon.h:417 struct hwmon_ops、:440 HWMON_CHANNEL_INFO 宏、:453 struct hwmon_chip_info、HWMON_T_*/HWMON_I_* 属性位(include/uapi/linux/hwmon.h)。
- 典型驱动:drivers/hwmon/lm75.c(本篇走读)、nct7802.c(Super I/O,多类多通道)、coretemp.c(x86 CPU 温度,读 MSR)、scpi-hwmon.c(ARM SCP)。
kernel.org:hwmon、Documentation/devicetree/bindings/hwmon/(每个驱动头注释也讲该芯片的 sysfs 属性)。
数据手册:LM75 PDF——对照寄存器布局/分辨率/补码格式看 lm75_reg_to_mc 的换算。
关联本站:23 i2c LM75 挂 I2C、regmap 走 I2C;thermal 子系统(drivers/thermal/)是 hwmon 上层(用 hwmon 读温度 + 加 trip point/cooling);用户态 sensors/libsensors。

做什么 ​

要了解什么 ​

〇、硬件背景:LM75——I2C 接口的数字温度传感器 ​

一、framework 全景:chip_info 驱动的"自动 sysfs 生成" ​

二、核心数据结构:hwmon_chip_info / hwmon_ops / hwmon_channel_info ​

三、源码走读:lm75.c(NXP LM75 及兼容芯片,1141 行) ​

四、数据流:cat temp1_input 到 LM75 温度寄存器 ​

五、源码真踩坑(都是读源码才发现的) ​

动手试试 ​

延伸阅读 ​

做什么