write的奥秘

      在Linux下我们在使用设备的时候，都会用到write这个函数，通过这个函数我们可以象使
      用文件那样向设备传送数据。可是为什么用户使用write函数就可以把数据写到设备里面
      去，这个过程到底是怎么实现的呢？ 
      
      这个奥秘就在于设备驱动程序的write实现中，这里我结合一些源代码来解释如何使得一
      个简简单单的write函数能够完成向设备里面写数据的复杂过程。
       
      这里的源代码主要来自两个地方。第一是oreilly出版的《Linux device driver》中的
      实例，第二是Linux Kernel 2.2.14核心源代码。我只列出了其中相关部分的内容，如果
      读者有兴趣，也可以查阅其它源代码。不过我不是在讲解如何编写设备驱动程序，所以不
      会对每一个细节都进行说明，再说有些地方我觉得自己还没有吃透。
       
      由于《Linux device driver》一书中的例子对于我们还是复杂了一些，我将其中的一个
      例程简化了一下。这个驱动程序支持这样一个设备：核心空间中的一个长度为10的数组
      kbuf[10]。我们可以通过用户程序open它，read它，write它，close它。这个设备的名
      字我称为short_t。 
      
      现在言归正传。 
      对于一个设备，它可以在/dev下面存在一个对应的逻辑设备节点，这个节点以文件的形式
      存在，但它不是普通意义上的文件，它是设备文件，更确切的说，它是设备节点。这个节
      点是通过mknod命令建立的，其中指定了主设备号和次设备号。主设备号表明了某一类设
      备，一般对应着确定的驱动程序；次设备号一般是区分是标明不同属性，例如不同的使用
      方法，不同的位置，不同的操作。这个设备号是从/proc/devices文件中获得的，所以一
      般是先有驱动程序在内核中，才有设备节点在目录中。这个设备号（特指主设备号）的主
      要作用，就是声明设备所使用的驱动程序。驱动程序和设备号是一一对应的，当你打开一
      个设备文件时，操作系统就已经知道这个设备所对应的驱动程序是哪一个了。这个"知道"
      的过程后面就讲。 
      
      我们再说说驱动程序的基本结构吧。这里我只介绍动态模块型驱动程序（就是我们使用
      insmod加载到核心中并使用rmmod卸载的那种），因为我只熟悉这种结构。 
      模块化的驱动程序由两个函数是固定的：int init_module(void) ；void
      cleanup_module(void)。前者在insmod的时候执行，后者在rmmod的时候执行。 
      init_nodule在执行的时候，进行一些驱动程序初始化的工作，其中最主要的工作有三
      件：注册设备；申请I/O端口地址范围；申请中断IRQ。这里和我们想知道的事情相关的只
      有注册设备。
      
      下面是一个典型的init_module函数： 
      
      int init_module(void){ 
      int result = check_region(short_base,1)；/* 察看端口地址*/ 
      …… 
      request_region(short_base,1,"short"); /* 申请端口地址*/ 
      …… 
      result = register_chrdev(short_major, "short", &short_fops); /* 注册设备
      */ 
      …… 
      result = request_irq(short_irq, short_interrupt, SA_INTERRUPT, "short",
      NULL); /* 申请IRQ */ 
      …… 
      return 0; 
      }/* init_module*/ 
      
      上面这个函数我只保留了最重要的部分，其中最重要的函数是 
      result = register_chrdev(short_major, "short", &short_fops); 
      这是一个驱动程序的精髓所在！！当你执行indmod命令时，这个函数可以完成三件大事：
      第一，申请主设备号(short_major)，或者指定，或者动态分配；第二，在内核中注册设
      备的名字("short")；第三，指定fops方法(&short_fops)。其中所指定的fops方法就是
      我们对设备进行操作的方法（例如read,write,seek,dir,open,release等），如何实现
      这些方法，是编写设备驱动程序大部分工作量所在。 
      
      现在我们就要接触关键部分了--如何实现fops方法。 
      我们都知道，每一个文件都有一个file的结构，在这个结构中有一个file_operations的
      结构体，这个结构体指明了能够对该文件进行的操作。
      
      下面是一个典型的file_operations结构： 
      struct file_operations { 
      loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); 
      ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); 
      ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); 
      int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); 
      unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); 
      int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned
      long); 
      int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); 
      int (*open) (struct inode *, struct file *); 
      int (*flush) (struct file *); 
      int (*release) (struct inode *, struct file *); 
      int (*fsync) (struct file *, struct dentry *); 
      int (*fasync) (int, struct file *, int); 
      int (*check_media_change) (kdev_t dev); 
      int (*revalidate) (kdev_t dev); 
      int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); 
      }; 
      
      我们可以看到它实际上就是许多文件操作的函数指针，其中就有write，其它的我们就不
      去管它了。这个write指针在实际的驱动程序中会以程序员所实现的函数名字出现，它指
      向程序员实现的设备write操作函数。下面就是一个实际的例子，这个write函数可以向核
      心内存的一个数组里输入一个字符串。 
      
      int short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf,
      int count){ 
      int retval = count; 
      extern unsigned char kbuf[10]; 

      if(count>10) 
      count=10; 
      copy_from_user(kbuf, buf, count); 
      return retval; 
      }/* short_write */ 
      设备short_t对应的fops方法是这样声明的： 
      struct file_operations short_fops = { 
      NULL, /* short_lseek */ 
      short_read, 
      short_write, 
      NULL, /* short_readdir */ 
      NULL, /* short_poll */ 
      NULL, /* short_ioctl */ 
      NULL, /* short_mmap */ 
      short_open, 
      short_release, 
      NULL, /* short_fsync */ 
      NULL, /* short_fasync */ 
      /* nothing more, fill with NULLs */ 
      }; 
      
      其中NULL的项目就是不提供这个功能。所以我们可以看出short_t设备只提供了
      read,write,open,release功能。其中write功能我们在上面已经实现了，具体的实现函
      数起名为short_write。这些函数就是真正对设备进行操作的函数，这就是驱动程序的一
      大好处：不管你实现的时候是多么的复杂，但对用户来看，就是那些常用的文件操作函数。
       
      但是我们可以看到，驱动程序里的write函数有四个参数，函数格式如下： 
      short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf, int count) 
      而用户程序中的write函数只有三个参数，函数格式如下： 
      write(inf fd, char *buf, int count) 
      那他们两个是怎么联系在一起的呢？这就要靠操作系统核心中的函数sys_write了，下面
      是Linux Kernel 2.2.14中sys_write中的源代码： 
      asmlinkage ssize_t sys_write(unsigned int fd, const char * buf, size_t count) 
      { 
      ssize_t ret; 
      struct file * file; 
      struct inode * inode; 
      ssize_t (*write)(struct file *, const char *, size_t, loff_t *); /* 指向
      驱动程序中的wirte函数的指针*/ 

      lock_kernel(); 
      ret = -EBADF; 
      file = fget(fd); /* 通过文件描述符得到文件指针 */ 
      if (!file) 
      goto bad_file; 
      if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE)) 
      goto out; 
      inode = file->f_dentry->d_inode; /* 得到inode信息 */ 
      ret = locks_verify_area(FLOCK_VERIFY_WRITE, inode, file, file->f_pos,
      count); 
      if (ret) 
      goto out; 
      ret = -EINVAL; 
      if (!file->f_op || !(write = file->f_op->write)) /* 将函数开始时声明的
      write函数指针指向fops方法中对应的write函数 */ 
      goto out; 
      down(&inode->i_sem); 
      ret = write(file, buf, count, &file->f_pos); /* 使用驱动程序中的write函数
      将数据输入设备，注意看，这里就是四个参数了 */ 
      up(&inode->i_sem); 
      out: 
      fput(file); 
      bad_file: 
      unlock_kernel(); 
      return ret; 
      } 

      我写了一个简单的程序来测试这个驱动程序，该程序源代码节选如下（该省的我都省了）： 
      
      main(){ 
      int fd,count=0; 
      unsigned char buf[10]; 
      fd=open("/dev/short_t",O_RDWR); 
      printf("input string:"); 
      scanf("%s",buf); 
      count=strlen(buf); 
      if(count>10) 
      count=10; 
      count=write(fd,buf,count); 
      close(fd); 
      return 1; 
      } 

      现在我们就演示一下用户使用write函数将数据写到设备里面这个过程到底是怎么实现的： 
      1，insmod驱动程序。驱动程序申请设备名和主设备号，这些可以在/proc/devieces中获得。 
      2，从/proc/devices中获得主设备号，并使用mknod命令建立设备节点文件。这是通过主
      设备号将设备节点文件和设备驱动程序联系在一起。设备节点文件中的file属性中指明了
      驱动程序中fops方法实现的函数指针。 
      3，用户程序使用open打开设备节点文件，这时操作系统内核知道该驱动程序工作了，就
      调用fops方法中的open函数进行相应的工作。open方法一般返回的是文件标示符，实际
      上并不是直接对它进行操作的，而是有操作系统的系统调用在背后工作。 
      4，当用户使用write函数操作设备文件时，操作系统调用sys_write函数，该函数首先通
      过文件标示符得到设备节点文件对应的inode指针和flip指针。inode指针中有设备号信
      息，能够告诉操作系统应该使用哪一个设备驱动程序，flip指针中有fops信息，可以告诉
      操作系统相应的fops方法函数在那里可以找到。 
      5，然后这时sys_write才会调用驱动程序中的write方法来对设备进行写的操作。 
      其中1-3都是在用户空间进行的，4-5是在核心空间进行的。用户的write函数和操作系统
      的write函数通过系统调用sys_write联系在了一起。 
      注意： 
      对于块设备来说，还存在写的模式的问题，这应该是由GNU C库来解决的，这里不予讨
      论，因为我没有看过GNU C库的源代码。 
      另外，这是一个测试版的文章，请各位朋友们多提意见和建议，非常感谢！