前面我們學習了字符設備結構體cdev? Linux 字符設備驅動開發(fā) （一）—— 字符設備驅動結構（上）? 下面繼續(xù)學習字符設備另外幾個重要的 數(shù)據(jù)結構。

? ? ? ?先看下面這張圖，這是Linux 中虛擬文件系統(tǒng)、一般的設備文件與設備驅動程序值間的函數(shù)調(diào)用關系;

? ? ? ? 上面這張圖展現(xiàn)了一個應用程序調(diào)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(shù)打開一個字符設備 fd = open("/dev/hello",O_RDWR) , 這一函數(shù)會調(diào)用兩個數(shù)據(jù)結構 struct inode{...}與struct file{...} ，二者均在虛擬文件系統(tǒng)VFS處，下面對兩個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)在內(nèi)核中。而struct file，卻是內(nèi)核當中的數(shù)據(jù)結構，因此，它也不會出現(xiàn)在用戶層程序中。

? ? ? ?file結構體指示一個已經(jīng)打開的文件（設備對應于設備文件），其實系統(tǒng)中的每個打開的文件在內(nèi)核空間都有一個相應的struct file結構體，它由內(nèi)核在打開文件時創(chuàng)建，并傳遞給在文件上進行操作的任何函數(shù)，直至文件被關閉。如果文件被關閉，內(nèi)核就會釋放相應的數(shù)據(jù)結構。

? ? ?在內(nèi)核源碼中，struct file要么表示為file，或者為filp(意指“file pointer”), 注意區(qū)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(shù)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(nèi)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(shù)時，他們的讀寫操作便作更新文件的位置，而不需要直接執(zhí)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(nèi)核分配這個指針作為它實現(xiàn)文件打開，讀，寫等功能的一部分。filp->f_op 其值從未被內(nèi)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(diào)用open方法之前，open系統(tǒng)調(diào)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(shù)據(jù)域或者不管它，如，你可以將其指向一個分配好的數(shù)據(jù)，但是你必須記得在file struct被內(nèi)核銷毀之前在release方法中釋放這些數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間。private_data用于在系統(tǒng)調(diào)用期間保存各種狀態(tài)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(tǒng)的最基本單位，也是文件系統(tǒng)連接任何子目錄、文件的橋梁。

? ? ? ? 內(nèi)核使用inode結構體在內(nèi)核內(nèi)部表示一個文件。因此，它與表示一個已經(jīng)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(nèi)核的一個內(nèi)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 plaincopy

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?pipe_inode_info?*i_pipe;??

??struct?block_device?*i_bdev;??

??struct?cdev??*i_cdev;//若是字符設備，對應的為cdev結構體??

?};??

三、chardevs 數(shù)組

? ? ?從圖中可以看出，通過數(shù)據(jù)結構 struct inode{...} 中的 i_cdev 成員可以找到cdev，而所有的字符設備都在 chrdevs 數(shù)組中

下面先看一下 chrdevs 的定義：

[cpp] view plaincopy

#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(shù)??

????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>??

? ? ? ?可以看到全局數(shù)組 chrdevs 包含了255(CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 的值)個 struct char_device_struct的元素，每一個對應一個相應的主設備號。

? ? ? ?如果分配了一個設備號,就會創(chuàng)建一個 struct char_device_struct 的對象,并將其添加到 chrdevs 中；這樣,通過chrdevs數(shù)組,我們就可以知道分配了哪些設備號。

相關函數(shù)，（這些函數(shù)在上篇已經(jīng)介紹過，現(xiàn)在回顧一下：

　　register_chrdev_region( ) 分配指定的設備號范圍

　　alloc_chrdev_region( ) 動態(tài)分配設備范圍

他們都主要是通過調(diào)用函數(shù) __register_chrdev_region() 來實現(xiàn)的；要注意,這兩個函數(shù)僅僅是注冊設備號!如果要和cdev關聯(lián)起來,還要調(diào)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(diào)用 __register_chrdev_region() 來實現(xiàn)

b -- 分配一個cdev, 通過調(diào)用 cdev_alloc() 來實現(xiàn)

c -- 將cdev添加到驅動模型中, 這一步將設備號和驅動關聯(lián)了起來. 通過調(diào)用 cdev_add() 來實現(xiàn)

d -- 將第一步中創(chuàng)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(fā) （一）—— 字符設備驅動結構（上）?有解析。

五、文件系統(tǒng)中對字符設備文件的訪問

? ? ? ? 下面看一下上層應用open() 調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)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(tǒng)調(diào)用open打開一個字符設備的時候, 通過一系列調(diào)用,最終會執(zhí)行到 chrdev_open

　　(最終是通過調(diào)用到def_chr_fops中的.open, 而def_chr_fops.open = chrdev_open. 這一系列的調(diào)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(jù)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(xiàn), 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(diào)用該open方法

　　6. 返回

執(zhí)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(zhí)行cdev的相應操作。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux驱动 cdev，inode结构体的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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