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（内核函数）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 *); /* 声明这样类型的函数准备让它的首地址write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！