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Linux设备驱动（三）文件系统

发表于 Edited on

Linux文件系统与设备驱动

图中所示为Linux中虚拟文件系统（VFS）、磁盘/Flash文件系统及一般的设备文件与设备驱动程序之间的关系。

应用程序和VFS之间的接口是系统调用，而VFS与文件系统以及设备文件之间的接口是file_operations结构体成员函数，这个结构体包含对文件进行打开、关闭、读写、控制的一系列成员函数。

file结构体

file结构体代表一个打开的文件，系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。在内核和驱动源代码中，struct file的指针通常被命名为file或filp。
代码清单 include/linux/fs.h: file 

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struct file {
    union {
        struct llist_node   fu_llist;
        struct rcu_head     fu_rcuhead;
    } f_u;
    struct path     f_path;
#define f_dentry    f_path.dentry
    struct inode        *f_inode;   /* cached value */
    const struct file_operations    *f_op;

    /*
     * Protects f_ep_links, f_flags, f_pos vs i_size in lseek SEEK_CUR.
     * Must not be taken from IRQ context.
     */
    spinlock_t      f_lock;
    atomic_long_t       f_count;
    unsigned int        f_flags;
    fmode_t         f_mode;
    loff_t          f_pos;
    struct fown_struct  f_owner;
    const struct cred   *f_cred;
    struct file_ra_state    f_ra;

    u64         f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
    void            *f_security;
#endif
    /* needed for tty driver, and maybe others */
    void            *private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL
    /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
    struct list_head    f_ep_links;
    struct list_head    f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
    struct address_space    *f_mapping;
#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT
    unsigned long f_mnt_write_state;
#endif
};

inode结构体

VFS inode包含文件访问权限、所有者、组、大小、生成时间、访问时间、最后修改时间等信息。它是Linux管理文件系统的最基本单位，也是文件系统连接任何子目录、文件的桥梁。
代码清单 include/linux/fs.h: inode 

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struct inode {
    umode_t         i_mode; // inode的权限
    unsigned short      i_opflags;
    kuid_t          i_uid; // inode所有者的id
    kgid_t          i_gid; // inode所属的群组id
    unsigned int        i_flags;
    ...
    dev_t           i_rdev; // 若是设备文件，此字段将记录设备的设备号
    loff_t          i_size; // inode所代表的文件大小
    struct timespec     i_atime; // inode最近一次的存取时间
    struct timespec     i_mtime; // inode最近一次的修改时间
    struct timespec     i_ctime; // inode的产生时间
    spinlock_t      i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
    unsigned short          i_bytes;
    unsigned int        i_blkbits;
    blkcnt_t        i_blocks; // inode所使用的block数，一个block为512字节
    ...
    union {
        struct pipe_inode_info  *i_pipe;
        struct block_device *i_bdev; // 若是块设备，为其对应的block_device结构体指针
        struct cdev     *i_cdev; // 若是字符设备，为其对应的cdev结构体指针
    };
    ...

查看/proc/devices文件可以获知系统中注册的设备，第一列为主设备号，第二列为设备名： 

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$ cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  5 /dev/tty
  5 /dev/console
  5 /dev/ptmx
  ...
Block devices:
259 blkext
  7 loop
  8 sd
  9 md
 11 sr
 65 sd
 ...

查看/dev目录可以获知系统中包含的设备文件，日期前的两列对应设备的主设备号和次设备号： 

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$ ls -al /dev
crw-r-----   1 root    kmem      1,   4  3月  5 14:03 port
crw-rw----   1 root    dip     108,   0  3月  5 14:03 ppp
crw-rw-rw-   1 root    tty       5,   2  3月  5 14:32 ptmx

主设备号是与驱动对应的概念，同一类设备一般用相同的主设备号，不同类设备的主设备号一般不同。

udev用户空间设备管理

udev完全在用户态工作，利用设备加入或移除时内核所发送的热插拔事件（Hotplug Event）来工作。在热插拔时，设备的详细信息会由内核通过netlink套接字发送出来，发出的事件叫uevent。udev的设备命名策略、权限控制和事件处理都是在用户态下完成的，它利用从内核收到的信息来进行创建设备文件节点等工作。下面给出从内核通过netlink接收热插拔事件的使用范例：
代码清单 netlink.c 

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include <sys/poll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#include <linux/types.h>
#include <linux/netlink.h>

void die(char *s)
{
    write(2,s,strlen(s));
    exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sockaddr_nl nls;
    struct pollfd pfd;
    char buf[512];

    // Open hotplug event netlink socket

    memset(&nls,0,sizeof(struct sockaddr_nl));
    nls.nl_family = AF_NETLINK;
    nls.nl_pid = getpid();
    nls.nl_groups = -1;

    pfd.events = POLLIN;
    pfd.fd = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_KOBJECT_UEVENT);
    if (pfd.fd==-1)
        die("Not root\n");

    // Listen to netlink socket

    if (bind(pfd.fd, (void *)&nls, sizeof(struct sockaddr_nl)))
        die("Bind failed\n");
    while (-1!=poll(&pfd, 1, -1)) {
        int i, len = recv(pfd.fd, buf, sizeof(buf), MSG_DONTWAIT);
        if (len == -1) die("recv\n");

        // Print the data to stdout.
        i = 0;
        while (i<len) {
            printf("%s\n", buf+i);
            i += strlen(buf+i)+1;
        }
    }
    die("poll\n");

    // Dear gcc: shut up.
    return 0;
}

编译上述程序并运行，出入一个金士顿的U盘，该程序会打印出类似如下的信息。 

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ACTION=add
DEVLINKS=/dev/disk/by-id/usb-Kingston_DataTraveler_2.0_00241D8CE3F71F70290F0510-0:0-part4 /dev/disk/by-label/Ubuntu\x2016.0 /dev/disk/by-path/pci-0000:00:06.0-usb-0:2:1.0-scsi-0:0:0:0-part4 /dev/disk/by-uuid/B4FE-5315
DEVNAME=/dev/sdb4
DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:06.0/usb1/1-2/1-2:1.0/host3/target3:0:0/3:0:0:0/block/sdb/sdb4
DEVTYPE=partition
ID_BUS=usb
ID_FS_LABEL=Ubuntu_16.0
ID_FS_LABEL_ENC=Ubuntu\x2016.0
ID_FS_TYPE=vfat
ID_FS_USAGE=filesystem
ID_

udev就是采用这种方式接收netlink消息，并根据它的内容和用户设置给udev的规则做匹配来进行工作的。
reference
《Linux设备驱动开发详解——基于最新的Linux 4.0内核》