Linux 设备驱动系列（六）——文件操作

2024-04-27
浙江
本文字数：3846 字
阅读完需：约 13 分钟

关注微信公众号：Linux 内核拾遗
文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/JGThRju13r57iQM-BjeebQ

1 cdev 结构和文件操作

当需要对设备执行打开/关闭和读写操作时，我们需要在设备驱动程序中注册一些结构，主要是 struct cdev 和文件操作 struct file_operations。

1.1 cdev 结构

Linux 内核中，struct inode 用来表示具体的文件，它包含了文件的大量信息；而 struct file 表示一个打开的文件描述符。一个文件可能有多个 struc file 表示打开的文件描述符，但它们都指向一个相同的 struct inode 结构。

struct cdev 是 inode 结构其中的一个元素，它是 Linux 内核的一个内部结构体，用于表示字符设备。

struct cdev {   struct kobject kobj;   struct module *owner;   const struct file_operations *ops;   struct list_head list;   dev_t dev;   unsigned int count; };

复制代码

设备驱动程序需要设置 file_operations 和 owner（通常是 THIS_MODULE 宏）两个字段。

有两种分配和初始化 cdev 结构的方式：runtime allocation 和 own allocation。

1.1.1 Runtime Allocation

可以通过下面的方式在运行时获取一个单独的 cdev 结构：

struct cdev *my_cdev = cdev_alloc( );my_cdev->ops = &my_fops;

复制代码

1.1.2 Own Allocation

可以将 cdev 结构体嵌入到一个设备特定的结构中，然后通过下面的方法进行初始化：

void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops);

复制代码

当 cdev 结构体设置好 file_operations 和 owner 后，可以通过下面的方法来通知给内核：

int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);

复制代码

一旦 cdev_add()成功调用，相应的设备就能立即可用，并且 file_operations 中定义的所有函数都能够被调用。

最后可以通过下面方法释放 cdev 结构体：

void cdev_del(struct cdev *dev);

复制代码

1.2 文件操作

"linux/fs.h"头文件中定义的 file_operations 结构体，它是注册到设备驱动中字符设备的打开/关闭和读写等操作的回调函数。

它包含了一系列的函数指针，每个打开的文件都会通过 file_operations 关联到对应的操作处理函数集合。这些操作通常是作为系统调用的实现，例如 open、read、write 等等。

struct file_operations {  struct module *owner;  loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);  ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);  ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);  ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);  ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);  int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);  int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);  unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);  long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);  long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);  int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);  int (*open) (struct inode *, struct file *);  int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);  int (*release) (struct inode *, struct file *);  int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);  int (*fasync) (int, struct file *, int);  int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);  ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);  unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);  int (*check_flags)(int);  int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);  ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);  ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);  int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);  long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,                    loff_t len);  void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);  #ifndef CONFIG_MMU  unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);  #endif  ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,                             loff_t, size_t, unsigned int);  int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,                          u64);  ssize_t (*dedupe_file_range)(struct file *, u64, u64, struct file *,                               u64);};

复制代码

值得注意的是，file_operations 中包含了 struct module *owner 字段，它不是函数指针，而是”拥有“该结构体的模块指针，通常设置为"linux/module.h"中定义宏 THIS_MODULE。它用于防止 file_operations 还在使用的时候对应的内核模块被意外卸载。

一般情况下不需要设置所有的函数指针：

static struct file_operations fops ={  .owner    = THIS_MODULE,  .read      = my_read,  .write    = my_write,  .open      = my_open,  .release  = my_release,};

复制代码

1.2.1 read

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

复制代码

用于从设备中获取数据，非负数返回值表示成功读取的字节数。

1.2.2 write

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

复制代码

用于往设备发送数据，非负数返回值表示成功写入的字节数。

1.2.3 ioctl

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

复制代码

ioctl 系统调用提供了一种发送设备特定命令的方式，例如格式化磁盘，它既不是读也不是写操作。

1.2.4 open

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

复制代码

打开设备文件的时候会调用 open 函数。

1.2.5 release (close)

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

复制代码

struct file 被释放的时候会调用 release 函数。

2 文件操作示例

下面是一个简单的设备文件操作的示例：

file_ops.c

#include <linux/kernel.h>#include <linux/init.h>#include <linux/module.h>#include <linux/kdev_t.h>#include <linux/fs.h>#include <linux/err.h>#include <linux/cdev.h>#include <linux/device.h>dev_t dev = 0;static struct class *dev_class;static struct cdev my_cdev;
static int      __init my_init(void);static void     __exit my_exit(void);static int      my_open(struct inode *inode, struct file *file);static int      my_release(struct inode *inode, struct file *file);static ssize_t  my_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t len,loff_t * off);static ssize_t  my_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t * off);static struct file_operations fops ={  .owner      = THIS_MODULE,  .read       = my_read,  .write      = my_write,  .open       = my_open,  .release    = my_release,};
static int my_open(struct inode *inode, struct file *file){  pr_info("Driver Open Function Called\n");  return 0;}
static int my_release(struct inode *inode, struct file *file){  pr_info("Driver Release Function Called\n");  return 0;}
static ssize_t my_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t len, loff_t *off){  pr_info("Driver Read Function Called\n");  return 0;}
static ssize_t my_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t len, loff_t *off){  pr_info("Driver Write Function Called\n");  return len;}
static int __init my_init(void){  if((alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "my_dev")) <0){    pr_err("Cannot allocate major number\n");    return -1;  }  pr_info("Major = %d Minor = %d \n",MAJOR(dev), MINOR(dev));
  cdev_init(&my_cdev,&fops);  if((cdev_add(&my_cdev, dev, 1)) < 0){    pr_err("Cannot add the device to the system\n");    goto r_class;  }
  if(IS_ERR(dev_class = class_create(THIS_MODULE,"my_class"))){    pr_err("Cannot create the struct class\n");    goto r_class;  }
  if(IS_ERR(device_create(dev_class,NULL,dev,NULL,"my_device"))){    pr_err("Cannot create the Device\n");    goto r_device;  }  pr_info("Device Driver Inserted\n");  return 0;  r_device:  class_destroy(dev_class);  r_class:  unregister_chrdev_region(dev,1);  return -1;}
static void __exit my_exit(void){  device_destroy(dev_class,dev);  class_destroy(dev_class);  cdev_del(&my_cdev);  unregister_chrdev_region(dev, 1);  pr_info("Device Driver Removed\n");}
module_init(my_init);module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("feifei <feifei@gmail.com>");MODULE_DESCRIPTION("Simple Linux device driver (File Operations)");MODULE_VERSION("1.3");

复制代码

编译运行如下：

关注微信公众号：Linux 内核拾遗
文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/JGThRju13r57iQM-BjeebQ

发布于: 刚刚阅读数: 6

原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/d33d60229eac148d6ce68200a】。

Linux内核拾遗

关注

聚沙成塔 2023-01-12 加入

分享Linux内核开发相关的编程语言、开发调试工具链、计算机组成及操作系统内核知识、Linux社区最新资讯等

发布

暂无评论

创作场景

Linux 设备驱动系列（六）——文件操作

1 cdev 结构和文件操作

1.1 cdev 结构

1.1.1 Runtime Allocation

1.1.2 Own Allocation

1.2 文件操作

1.2.1 read

1.2.2 write

1.2.3 ioctl

1.2.4 open

1.2.5 release (close)

2 文件操作示例

Linux内核拾遗

评论