字符设备驱动基础框架

一、总体框架

1.Linux字符设备驱动工作原理图

2.驱动使用端

3.驱动实现端

二、各部分详解

1.VFS层

1) inode结构体

在Unix/Linux操作系统中，每个文件都由一个inode（索引节点）来索引。inode是特殊的磁盘块，它们在文件系统创建时就已经生成。inode的数量限制了文件系统中可以存储的文件/目录的总数。

每个inode节点的大小，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。

inode包含以下信息：

文件的字节数

文件拥有者的User ID

文件的Group ID

文件的读、写、执行权限

文件的时间戳，包括：

ctime：inode上一次变动的时间

mtime：文件内容上一次变动的时间

atime：文件上一次打开的时间

链接数，即有多少文件名指向这个inode

文件数据block的位置

inode的存在使得文件名和inode号码分离，这种机制导致了一些Unix/Linux系统特有的现象。例如，移动文件或重命名文件，只是改变文件名，不影响inode号码。打开一个文件以后，系统就以inode号码来识别这个文件，不再考虑文件名。因此，通常来说，系统无法从inode号码得知文件名。

总的来说，inode在文件系统中起着至关重要的作用，它存储了文件的元信息，并为文件的存储和访问提供了基础。

2) struct file结构体

struct file是Linux内核中的一个重要结构体，它代表一个已经打开的文件。系统中的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。

struct file的定义在include/linux/fs.h中。在内核创建和驱动源码中，struct file的指针通常被命名为file或filp。

struct file的一些重要成员包括：

文件描述符（fd）：fd只是一个小整数，在open时产生。起到一个索引的作用，进程通过PCB中的文件描述符表找到该fd所指向的文件指针filp。

缓冲区：根据应用程序对文件的访问方式，即是否存在缓冲区，对文件的访问可以分为带缓冲区的操作和非缓冲区的文件操作。

总的来说，struct file结构体在Linux内核中起着至关重要的作用，它为文件的打开、读写等操作提供了基础。在编写设备驱动或者进行内核开发时，理解和掌握struct file结构体的使用是非常重要的。

2.字符设备的描述和操作

1) cdev结构体

在Linux内核中，cdev结构体用于描述一个字符设备。cdev结构体的定义如下：

struct cdev {
struct kobject kobj; // 内嵌的内核对象
struct module *owner; // 该字符设备所在的内核模块的对象指针
const struct file_operations *ops; // 该结构描述了字符设备所能实现的方法，是极为关键的一个结构体
struct list_head list; // 用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表
dev_t dev; // 字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成
unsigned int count; // 隶属于同一主设备号的次设备号的个数
};

在Linux字符设备驱动中，模块加载函数通过register_chrdev_region()或alloc_chrdev_region()来静态或者动态获取设备号，通过cdev_init()建立cdev与file_operations之间的连接，通过cdev_add()向系统添加一个cdev以完成注册。用户空间访问该设备的程序通过Linux系统调用，如open(),read(),write()，来“调用”file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数。

总的来说，cdev结构体在Linux内核中起着至关重要的作用，它为字符设备的管理提供了基础。在编写设备驱动或者进行内核开发时，理解和掌握cdev结构体的使用是非常重要的。