5.3.3 设备驱动中关键数据结构

5.3.3  设备驱动中关键数据结构
1．file_operations数据结构
内核内部通过file结构识别设备，通过file_operations数据结构提供文件系统的入口点
函数。file_operations定义在<linux/fs.h>中的函数指针表。这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。从某种意义上说，写驱动程序的任务之一就是完成file_operations中的函数指针。如果在2.4版本内核下开发的驱动很可能在2.6版本中无法使用，需要进行移植。通常file_operations提供了包括open()、write()、read()、release()、poll()、ioctl()等文件系统的入口函数。
下面简单描述一下几个重要的入口函数。
1）open():
static int mydriver_open(struct inode *inode, struct file *filp)
当上层对mydriver执行open操作时调用该函数，其中参数inode为设备特殊文件的inode（索引节点）结构指针，参数file是指向这一设备的文件结构指针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性（次设备号可以用MINOR(inode→i - rdev)取得）、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码（0表示成功，负数表示存在错误）等。
2）write():
static ssize_t mydriver_write(struct file *filp, const char *buf, size_t size, loff_t *offp)
当设备特殊文件进行write系统调用时，将调用驱动程序的write()函数，向设备发送数据。如果没有这个函数，write 系统调用会向调用程序返回一个-EINVAL。如果返回值非负，则表示成功写入的字节数。Write函数通常就是把数据从用户空间复制到内核空间，所以在write函数里经常会看到copy_from_user()函数。
3）read():
static ssize_t mydriver_read(struct file *filp, char *buf, size_t size, loff_t *offp)
当对设备特殊文件进行read系统调用时，将调用驱动程序read()函数，用来从设备中读取数据。当该函数指针被赋为NULL 值时，将导致read 系统调用出错并返回-EINVAL（“Invalid argument，非法参数”）。函数返回非负值表示成功读取的字节数（返回值为“signed size”数据类型，通常就是目标平台上的固有整数类型）。Read()函数则通常是把数据从内核空间复制到用户空间，一般都会调用copy_to_user()函数。
4）release():
static int mydriver_release(struct inode *inode, struct file *filp)
当最后一个打开设备的用户进程执行close()系统调用时，内核将调用驱动程序的release()函数，release()函数的主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户自定义其他标志的复位等。
5）ioctl():
static int mydriver_ioctl（struct inode *inode，struct file *filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）

该函数是特殊的控制函数，可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息，unsigned int参数为设备驱动程序需要执行的命令代码，由用户自定义。unsigned long参数为相应的命令提供参数，类型可以是整型、指针等。如果设备不提供ioctl入口点，则对任何内核未预先定义的请求，ioctl系统调用将返回错误（-ENOTTY，“No such ioctl fordevice，该设备无此ioctl命令”）。如果该设备方法返回一个非负值，那么该值会被返回给调用程序以表示调用成功。
6）poll():
static unsigned int mydriver_poll（struct file *filp, poll_table *wait）
poll方法是poll和select 这两个系统调用的后端实现，用来查询设备是否可读、可写或是否处于某种特殊状态。
2．inode（索引节点）
文件系统处理的文件所需要的信息在inode（索引节点）中。一个filesystem可以粗略地分成inode table与data area两部分。Inode table上有许多的inode，每个inode分别记录一个档案的属性，以及这个档案分布在哪些data block上。inode包含文件访问权限、属主、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。inode结构中的静态信息取自物理设备上的文件系统，由文件系统指定的函数填写，它只存在于内存中，可以通过inode缓存访问。虽然每个文件都有相应的inode节点，但是只有在需要的时候，系统才会在内存中为其建立相应的inode数据结构，建立的inode结构将形成一个链表，可以通过遍历这个链表得到所需要的文件节点。
3．file结构
file结构主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。在Linux里，每一个档案都有一个file结构和inode结构，inode结构是用来让Kernel做管理的，而file结构则是平常对档案读、写或开启，关闭所使用的。当然，从user的观点来看是看不出什么的。比起inode结构，file结构就显得小多了，file结构也是用串行来管理的，f_next会指到下一个file结构，而f_pprev则会指到上一个file结构的地址，f_dentry会记录其inode的dentry地址，f_mode为档案存取种类，f_pos则是目前档案的offset，每次读写都从offset记录的位置开始读写，f_count是此file结构的reference cout，f_flags则是开启此档案的模式，f_reada，f_ramax, f_raend，f_ralen，f_rawin则是控制read ahead的参数，f_owner记录了要接收SIGIO和SIGURG的行程ID或行程群组ID，private_data则是tty driver所使用的字段。