先看下面這張圖，這是Linux 中虛擬文件系統、一般的設備文件與設備驅動程序值間的函數調用關系;
上面這張圖展現了一個應用程序調用字符設備驅動的過程, 在設備驅動程序的設計中，一般而言，會關心 file 和 inode 這兩個結構體
用戶空間使用 open() 函數打開一個字符設備 fd = open("/dev/hello",O_RDWR) , 這一函數會調用兩個數據結構 struct inode{...}與struct file{...} ，二者均在虛擬文件系統VFS處，下面對兩個數據結構進行解析：
一、file 文件結構體
在設備驅動中，這也是個非常重要的數據結構，必須要注意一點，這里的file與用戶空間程序中的FILE指針是不同的，用戶空間FILE是定義在C庫中，從來不會出現在內核中。而struct file，卻是內核當中的數據結構，因此，它也不會出現在用戶層程序中。
file結構體指示一個已經打開的文件（設備對應于設備文件），其實系統中的每個打開的文件在內核空間都有一個相應的struct file結構體，它由內核在打開文件時創建，并傳遞給在文件上進行操作的任何函數，直至文件被關閉。如果文件被關閉，內核就會釋放相應的數據結構。
在內核源碼中，struct file要么表示為file，或者為filp(意指“file pointer”), 注意區分一點，file指的是struct file本身，而filp是指向這個結構體的指針。
下面是幾個重要成員：
a -- fmode_t f_mode;
此文件模式通過FMODE_READ, FMODE_WRITE識別了文件為可讀的，可寫的，或者是二者。在open或ioctl函數中可能需要檢查此域以確認文件的讀/寫權限，你不必直接去檢測讀或寫權限，因為在進行octl等操作時內核本身就需要對其權限進行檢測。
b -- loff_t f_pos;
當前讀寫文件的位置。為64位。如果想知道當前文件當前位置在哪，驅動可以讀取這個值而不會改變其位置。對read,write來說，當其接收到一個loff_t型指針作為其最后一個參數時，他們的讀寫操作便作更新文件的位置，而不需要直接執行filp ->f_pos操作。而llseek方法的目的就是用于改變文件的位置。
c -- unsigned int f_flags;
文件標志，如O_RDONLY, O_NONBLOCK以及O_SYNC。在驅動中還可以檢查O_NONBLOCK標志查看是否有非阻塞請求。其它的標志較少使用。特別地注意的是，讀寫權限的檢查是使用f_mode而不是f_flog。所有的標量定義在頭文件中
d -- struct file_Operations *f_op;
與文件相關的各種操作。當文件需要迅速進行各種操作時，內核分配這個指針作為它實現文件打開，讀，寫等功能的一部分。filp->f_op 其值從未被內核保存作為下次的引用，即你可以改變與文件相關的各種操作，這種方式效率非常高。
file_operation 結構體解析如下：Linux 字符設備驅動結構（四）—— file_operations 結構體知識解析
e -- void *PRivate_data;
在驅動調用open方法之前，open系統調用設置此指針為NULL值。你可以很自由的將其做為你自己需要的一些數據域或者不管它，如，你可以將其指向一個分配好的數據，但是你必須記得在file struct被內核銷毀之前在release方法中釋放這些數據的內存空間。private_data用于在系統調用期間保存各種狀態信息是非常有用的。
二、 inode結構體
VFS inode 包含文件訪問權限、屬主、組、大小、生成時間、訪問時間、最后修改時間等信息。它是Linux 管理文件系統的最基本單位，也是文件系統連接任何子目錄、文件的橋梁。
內核使用inode結構體在內核內部表示一個文件。因此，它與表示一個已經打開的文件描述符的結構體(即file 文件結構)是不同的，我們可以使用多個file 文件結構表示同一個文件的多個文件描述符，但此時，所有的這些file文件結構全部都必須只能指向一個inode結構體。
inode結構體包含了一大堆文件相關的信息，但是就針對驅動代碼來說，我們只要關心其中的兩個域即可：
(1) dev_t i_rdev;
表示設備文件的結點，這個域實際上包含了設備號。
(2) struct cdev *i_cdev;
struct cdev是內核的一個內部結構，它是用來表示字符設備的，當inode結點指向一個字符設備文件時，此域為一個指向inode結構的指針。
下面是源代碼：
[cpp] view plain copy
struct inode { struct hlist_node i_hash; struct list_head i_list; struct list_head i_sb_list; struct list_head i_dentry; unsigned long i_ino; atomic_t i_count; unsigned int i_nlink; uid_t i_uid;//inode擁有者id gid_t i_gid;//inode所屬群組id dev_t i_rdev;//若是設備文件，表示記錄設備的設備號 u64 i_version; loff_t i_size;//inode所代表大少 #ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED seqcount_t i_size_seqcount; #endif struct timespec i_atime;//inode最近一次的存取時間 struct timespec i_mtime;//inode最近一次修改時間 struct timespec i_ctime;//inode的生成時間 unsigned int i_blkbits; blkcnt_t i_blocks; unsigned short i_bytes; umode_t i_mode; spinlock_t i_lock; struct mutex i_mutex; struct rw_semaphore i_alloc_sem; const struct inode_operations *i_op; const struct file_operations *i_fop; struct super_block *i_sb; struct file_lock *i_flock; struct address_space *i_mapping; struct address_space i_data; #ifdef CONFIG_QUOTA struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS]; #endif struct list_head i_devices; union { struct p#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255 static DEFINE_MUTEX(chrdevs_lock); static struct char_device_struct { struct char_device_struct *next; // 結構體指針 unsigned int major; // 主設備號 unsigned int baseminor; // 次設備起始號 int minorct; // 次備號個數 char name[64]; struct cdev *cdev; /* will die */ } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE]; // 只能掛255個字符主設備<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);"> </span> %20 %20 %20 可以看到全局數組%20chrdevs%20包含了255(CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE%20的值)個%20struct%20char_device_struct的元素，每一個對應一個相應的主設備號。
%20 %20 %20 如果分配了一個設備號,就會創建一個%20struct%20char_device_struct%20的對象,并將其添加到%20chrdevs%20中；這樣,通過chrdevs數組,我們就可以知道分配了哪些設備號。
相關函數，（這些函數在上篇已經介紹過，現在回顧一下：
register_chrdev_region( ) 分配指定的設備號范圍
alloc_chrdev_region( ) 動態分配設備范圍
他們都主要是通過調用函數 __register_chrdev_region() 來實現的；要注意,這兩個函數僅僅是注冊設備號!如果要和cdev關聯起來,還要調用cdev_add()。
register_chrdev( )申請指定的設備號,并且將其注冊到字符設備驅動模型中.
它所做的事情為:
a -- 注冊設備號, 通過調用 __register_chrdev_region() 來實現
b -- 分配一個cdev, 通過調用 cdev_alloc() 來實現
c -- 將cdev添加到驅動模型中, 這一步將設備號和驅動關聯了起來. 通過調用 cdev_add() 來實現
d -- 將第一步中創建的 struct char_device_struct 對象的 cdev 指向第二步中分配的cdev. 由于register_chrdev()是老的接口,這一步在新的接口中并不需要。
四、cdev 結構體
在 Linux 字符設備驅動開發 （一）—— 字符設備驅動結構（上） 有解析。
五、文件系統中對字符設備文件的訪問
下面看一下上層應用open() 調用系統調用函數的過程
對于一個字符設備文件, 其inode->i_cdev 指向字符驅動對象cdev, 如果i_cdev為 NULL ,則說明該設備文件沒有被打開.
由于多個設備可以共用同一個驅動程序.所以,通過字符設備的inode 中的i_devices 和 cdev中的list組成一個鏈表
首先,系統調用open打開一個字符設備的時候, 通過一系列調用,最終會執行到 chrdev_open
(最終是通過調用到def_chr_fops中的.open, 而def_chr_fops.open = chrdev_open. 這一系列的調用過程,本文暫不討論)
int chrdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)
chrdev_open()所做的事情可以概括如下:
1. 根據設備號(inode->i_rdev), 在字符設備驅動模型中查找對應的驅動程序, 這通過kobj_lookup() 來實現, kobj_lookup()會返回對應驅動程序cdev的kobject.
2. 設置inode->i_cdev , 指向找到的cdev.
3. 將inode添加到cdev->list 的鏈表中.
4. 使用cdev的ops 設置file對象的f_op
5. 如果ops中定義了open方法,則調用該open方法
6. 返回
執行完 chrdev_open()之后,file對象的f_op指向cdev的ops,因而之后對設備進行的read, write等操作,就會執行cdev的相應操作。新聞熱點
疑難解答
