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分类: LINUX

2014-05-28 18:05:55

write的奥秘-linux系统调用如何实现?

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
Linux Kernel 2.2.14sys_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

write函数通过系统调用sys_write联系在了一起。
注意:

总的来说:设备文件通过设备号绑定了设备驱动,fops绑定了应用层的write和驱动层的write。当应用层写一个设备文件的时候,系统找到对应的设备驱动,再通过fops找到对应的驱动write函数。

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