设备驱动程序学习（一）基本数据结构

 

设备驱动程序学习（一）基本数据结构

分类： Linux2011-02-11 18:29 7人阅读 评论(0) 收藏 举报

设备驱动程序学习（一）基本数据结构

出处：http://blog.csdn.net/HEYUTAO007/archive/2010/07/15/5738219.aspx

1 Struct inode

file_operations 中的大多数操作都将inode 做为第一个参数。Linux 的VFS 是对物理文件系统，物理设备的一个封装。Inode 结构就是VFS 与下层模块对话的重要结构。文件系统由子目录和文件构成。每个子目录或文件只能由唯一的inode 描述。每个设备也是用inode 来描述的。inode 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、任何文件，设备的桥梁。也就是说，整个文件系统树就是由代表任何子目录、任何文件，设备的inode 组成的。

struct inode {

kdev_t i_dev; /* 文件所在设备的设备号，第一个IDE 硬盘为0x0301 */

unsigned long i_ino; /* 外存inode 的节点号，

(i_dev,i_ino) 在VFS 中是唯一的 */

umode_t i_mode;/* 表示文件类型以及存取权限 */

nlink_t i_nlink;/* 连接到该文件的link 数 */

uid_t i_uid; /* 用户标识号 */

gid_t i_gid; /* 用户组标识号 */

kdev_t i_rdev;/* 根设备的设备号 */

off_t i_size;/* 文件长度 */

time_t i_atime;/* 文件访问时间 */

time_t i_mtime; /* 文件修改时间 */

time_t i_ctime; /* 文件创建时间 */

unsigned long i_blksize;/* 以字节为单位的块大小，一般为1024 字节 */

unsigned long i_blocks; /* 文件块数 */

unsigned long i_version;

unsigned long i_nrpages;/* 文件在内存中所占页数 */

struct semaphore i_sem; /* 信号量 */

struct inode_operations *i_op; /* 指向一组针对该文件的操作函数，

见fs.h */

struct super_block *i_sb; /* 指向内存中 VFS 的超级块 */

struct wait_queue *i_wait; /* 在该文件上的等待队列 */

struct file_lock *i_flock;

struct vm_area_struct *i_mmap;

struct page *i_pages; /* 由文件占用页面构成的单向链，

通过它可访问内存中的文件数据 */

struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS];

struct inode *i_next, *i_prev; /* inode 资源管理中使用的链表指针 */

struct inode *i_hash_next, *i_hash_prev; /* inode cache 的链表指针 */

struct inode *i_bound_to, *i_bound_by;

struct inode *i_mount; /* 指向下挂文件系统的 inode 的根目录 */

unsigned long i_count; /* 引用记数，0 表示是空闲inode */

unsigned short i_flags;

unsigned short i_writecount;

unsigned char i_lock; /* 对inode 加锁标志 */

unsigned char i_dirt;

unsigned char i_pipe;

unsigned char i_sock;

unsigned char i_seek;

unsigned char i_update;

unsigned char i_condemned;

union { /* 各类文件系统inode 的特定信息 */

............

struct ext2_inode_info ext2_i;

............

} u;

};

对于设备管理而言，主要用到的是inode 结构的 kdev I_rdev 字段。

2 Struct kdev_t

文件系统中，字符设备是通过名字来访问的。通常字符设备都在/dev 下。

在系统内部，每个字符设备都用设备号来表示。设备号由主, 副设备号来表示。

主设备号表示与设备对应的设备驱动程序。如：设备/dev/zero 和 /dev/null

都用1 作为主设备号，表示他们使用相同的设备驱动程序。

副设备号只供驱动程序使用。通常一个驱动程序控制几个设备，它通过副设备号来辨别他们。
与设备号相关的数据结构为kdev_t 。Kdev_t 结构主要用来表示一个设备的主设备号和副设备号。它其实只是一个短的非负整数：

typedef unsigned short kdev_t;

但是，我们可以把它看作：

typedef struct { unsigned short major, minor; } kdev_t;

内核提供了一组宏来操作kdev_t 结构：

MAJOR(kdev_t dev) : extract the major number from a kdev_t structure

MINOR(kdev_t dev) : extract the minor number from a kdev_t structure

MKDEV( int ma, int mi):return a kdev_t built from major and minor numbers

旧版本的内核dev_t 对应kdev_t

3 struct device_struct

内核中有两张表。一张表用于字符设备驱动程序，另一张用于块设备驱动程序。这两张表用来保存指向file_operations 结构的指针，设备驱动程序内部的函数地址就保存在这一结构中。定义在文件fs/devices.c中：

struct device_struct {

const char * name;

struct file_operations * fops;

};

static struct device_struct chrdevs[MAX_CHRDEV];

static struct device_struct blkdevs[MAX_BLKDEV];

内核用主设备号作为索引访问file_operations 结构，因而能访问驱动程序内的子程序。

其实块设备表和字符设备表使用了相同的数据结构。在某些系统中，这些设备表也称作设备开关表，不同的是它们直接定义了一组函数指针进行对设备的管理。而这里系统用文件操作（file_operations ）代替了那组开关。file_operations 是文件系统与设备驱动程序之间的接口，系统特殊文件在建立的时候并没有把两者对应起来，只是把设备的缺省文件结构和inode 节点结构赋给设备文件，而真正的对应定义在系统启动之后，当设备被打开时时才进行的。

操作blkdev_open 和chrdev_open 定义在文件devices.c 中，它们的基本功能是当设备文件初次打开时，根据该文件的inode 节点信息找到设备真正的文件操作接口，然后更新原来的设备表项；最后再调用该设备的open 操作。

/include/linux/major.h 中定义了设备表的长度。设备表中不同的表项表示不同种类的设备，也就是说，LINUX系统分别支持各128 种不同的块设备和字符设备。

4 Struct file_operations

对于字符设备来说，file_operations{} 是唯一的函数接口。内核通过file_operations 结构来访问driver 的功能。这也是linux 的OO 思想的体现之一。file_operations 的定义在文件<linux/fs.h> 中。

每个字符设备都有一个file_operatioins 结构。这个结构指向一组操作函数（open,read… ）.

每个函数的定义由设备驱动提供。当然，有些标准操作某些设备并不支持，这时，file_operatons 结构中对应表项为NULL

（. 随着linux 内核的不断升级，file_operatioins 结构也不断变大。最新的版本中，甚至函数原型也发生了一些变化。当然，新版本总会向下兼容的。）

 

注 释 基于kernel 2.6.15

struct file_operations {

        struct module *owner; 

        // 指向 拥 有 该结 构的模 块 的指 针 ，避免正在操作 时 被卸 载 ，一般 为 初始化 为THIS_MODULES 

        loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); 

        // llseek 用来修改文件当前的 读 写位置，返回新位置 

        // loff_t 为 一个" 长 偏移量"。 当 此函数 指 针为 空 ， seek 调 用将会以不可 预 期的方式修改 file 结 构中的位置 计 数器。 

        ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

        // 从 设备 中同 步读 取数据。 读 取成功返回 读 取的字 节 数。 设 置 为 NULL ， 调 用 时 返回-EINVAL 

        ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);

        // 初始化一个异 步 的 读 取操作， 为 NULL 时 全部通 过 read 处 理 

        ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

        // 向 设备发 送数据。 

        ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t);

        // 初始化一个异 步 的写入操作。 

        int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);

        // 仅 用于 读 取目 录 ， 对 于 设备 文件， 该 字段 为 NULL 

        unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

        // 返回一个位掩 码 ，用来指出非阻塞的 读 取或写入是否可能。 

        // 将 pool 定 义为 NULL ， 设备 会被 认为 即可 读 也可写。 

        int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);

        // 提供一 种执 行 设备 特殊命令的方法。不 设 置入口点，返回-ENOTTY 

        long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

        // 不使用BLK的文件系 统 ，将使用此 种 函数 指 针 代替ioctl 

        long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

        // 在64位系 统 上，32位的ioctl 调 用，将使用此 函数 指 针 代替 

        int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

        // 用于 请 求将 设备 内存映射到 进 程地址空 间 。如果无此方法，将 访问 -ENODEV 。

        int (*open) (struct inode *, struct file *);

        // 如果 为 空， 设备 的打 开 操作永 远 成功，但系 统 不会通知 驱动 程序 

        // 由VFS 调 用，当VFS打 开 一个文件，即建立了一个新的"struct file"，之后 调 用open方法分配文件 结 构。open属于struct inode_operations。 

        int (*flush) (struct file *);

        // 发 生在 进 程 关闭设备 文件描述符副本， 执 行并等待，若 设 置 为 NULL ，内核将忽略用 户应 用程序的 请 求。 

        int (*release) (struct inode *, struct file *);

        // file 结 构 释 放 时 ，将 调 用此指 针 函数 ，release与open相同可 设 置 为 NULL 

        int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);

        // 刷新待 处 理的数据，如果 驱动 程序没有 实现 ，fsync 调 用将返回-EINVAL 

        int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);

        // 异 步 fsync 

        int (*fasync) (int, struct file *, int);

        // 通知 设备 FASYNC 标 志 发 生 变 化，如果 设备 不支持异 步 通知， 该 字段可以 为 NULL 

        int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

        // 实现 文件 锁 ， 设备驱动 常不去 实现 此lock 

        ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);

        ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);

        // readv 和writev 分散／聚集型的 读 写操作， 实现进 行 涉 及多个内存区域的 单 次 读 或写操作。 

        ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);

        // 实现 sendfile 调 用的 读 取部分，将数据从一个文件描述符移到另一个， 设备驱动 通常将其 设置 为 NULL 

        ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);

        // 实现 sendfile 调 用的另一部分，内核 调 用将其数据 发 送到 对应 文件， 每 次一个数据 页， 设备驱动 通常将其 设 置 为 NULL 

        unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

        // 在 进 程地址空 间 找到一个合适的位置，以便将底 层设备 中的内存段映射到 该 位置。大部分驱动 可将其 设 置 为 NULL 

        int (*check_flags)(int);

        // 允 许 模 块检查传递给 fcntl(F_SETEL...) 调 用的 标 志 

        int (*dir_notify)(struct file *filp, unsigned long arg);

        // 应 用程序使用fcntl来 请 求目 录 改 变 通知 时 ， 调 用 该 方法。 仅对 文件系 统 有效，驱动 程序不必 实现 。 

        int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);

        // 实现 文件 锁 

};

5 Struct file

<linux/fs.h> 中定义的file 结构是设备驱动程序中用到的仅次于file_operations 的数据结构。这里的file 结构和用户程序用到的FILE 结构不同。它们定义在不同的空间。

一个file 结构代表一个”打开的文件”，它在文件被打开时被创建，然后被传给要对文件进行操作的函数，知道文件被关闭。一个打开的文件和一个磁盘上的文件不同，磁盘文件用inode 表示。

下面讨论一些重要的域：

mode_t f_mode ;

文件的读写模式由f_mode 的FMODE_READ 和FMODE_WRITE 控制。在ioctl 函数中需要通过此位控制文件的读写权限。当然，read ,write 函数不需要检查f_mode

因为读写权限的检查是由内核在调用他们之前进行的。

loff_t f_pos

当前的读写位置。Loff_t 是一个64 位的值。

unsigned short f_flags;

也是文件的一些标志。如：O_RDONLY,O_NONBLOCK 和O_SYNC. 驱动程序必须检查f_flags 以进行非阻塞操作。读写操作控制必须用f_mode.

struct inode * f_inode;

所打开的文件对应的inode,

struct file_operations * f_op;

对打开的文件的处理函数。一般在打开文件或设备初始化时由内核赋值。可以动态的修改此结构来改变文件的处理函数。

void *private_data;

open 系统调用把此指针设为NULL, 然后再调用驱动程序的open 函数。驱动程序可以自由得使用，甚至忽略它。

struct file {

mode_t f_mode;

loff_t f_pos;

unsigned short f_flags;

unsigned short f_count;

unsigned long f_reada, f_ramax, f_raend, f_ralen, f_rawin;

struct file *f_next, *f_prev;

struct fown_struct f_owner;

struct inode * f_inode;

struct file_operations * f_op;

unsigned long f_version;

void *private_data; /* needed for tty driver, and maybe others */

};