Linux 用户层和内核层

Linux中一切皆是文件，驱动我呢见最终通过与文件操作相关的系统调用或者C库还函数被访问，而设备驱动的结构也最终是为了迎合提供应用程序API。

回顾概念：

设备节点：

Linux中的设备节点是通过"mknod"命令来创建的，一个设备节点其实就是一个文件，Linux中称为设备文件，有一点必须要说明的是，在Linux中所有的设备访问都是通过文件的方。设备节点就是连接上层应用和底层驱动的桥梁，如下所示：

Linux用户层和内核层交互

        文件对应的有打开关闭读写等，那么设备节点看作是一个文件，对应的设备节点就有打开关闭读写等功能。

        file_operation结构体是访问驱动的函数，它在里边的每个结构体成员都对应这个一个调用，这个结构体里边有很多成员变量，并且结构体中的成员函数是字符设备驱动程序设备的主体内容。这些函数实际会在应用程序进行Linux的open()、write()、read()、close()等系统调用时最终被内核调用。file_operations 文件操作集在定义在 include/linux/fs.h 下面，如下图所示。

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);
};

下边对file_operations结构体中的主要成分进行分析。

             

函数	功能
llseek()	修改一个文件当前的读写位置，并将新位置返回，在出错的时候，这个函数返回一个负值。
read()	用来从设备中读取数据，成功时候返回读取的字节数，错的时候返回一个负值。 与用户空间应用程序中的 ssize_t read（int fd，void*buf，size_t count）和 size_t fread （void*ptr，size_t size，size_t nmemb，FILE*stream）对应。
write()	向设备发送数据，成功的时候该函数返回写入的字节数，如果此函数未被实现，当用户进程调用write的时候，将得到-EINVAL 返回值。它与用户空间应用程序中的 ssize_t write（int fd，const void*buf，size_t count）和 size_t fwrite（const void*ptr，size_t size， size_t nmemb，FILE*stream）对应。
unlocked_ioctl()	提供设备相关控制命令的实现（既不是读操作，也不是写操作），当调用成功的时候返回给调用程序一个非负值。它与用户空间应用程序调用的 int fcntl（int fd，int cmd，.../*arg*/）和 int ioctl（int d，int request，...）对应。
mmap（）	将设备内存映射到进程的虚拟地址空间当中，如果这个设备驱动未实现此函数，用户进行mmap（）系统调用时候将返回-ENODEV。这个函数对于帧缓冲等设备特备有意义，帧缓冲被映射到用户用户空间后，应用程序可以直接访问它而无需在内核和应用之间进行内存复制。它与用户空间应用程序中的void*mmap（void*addr，size_t length，int prot，int flags，int fd，off_t offset）函数对 应。
poll()函数	一般用于询问设备是否可被非阻塞的立即读取。当询问的条件未触发的时候，用户空间进行 select（）和 poll（）系统调用将引起进程的阻塞。
aio_read （ ） 和 aio_write（）函数	分别对与文件描述符对应的设备进行异步读、写操作。设备实现这 两个函数后，用户空间可以对该设备文件描述符执行 SYS_io_setup、SYS_io_submit、 SYS_io_getevents、SYS_io_destroy 等系统调用进行读写。
open()	当用户空间调用open（）函数打开文件设备的时候，设备驱动的open()函数最终被调用。驱动程序可以不实现这个函数，在这种情况下，设备打开操作永远成功。 与 open（）函数对应的是 release（）函数。

应用层和内核层传递数据                                                 

        Linux的应用层和内核层是不能直接进行数据传输的。我们想要进行数据传输就要借助下边两个函数。

static inline long copy_from_user(void *to, const void __user * from, unsigned long n)
static inline long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

用户空间->内核空间，

函数	copy_from_user(void *to, const void __user * from, unsigned long n)
参数	目标地址（内核空间）
参数	源地址（用户空间）
参数	将要拷贝数据的字节数
返回值	成功返回0，失败返回没有拷贝成功的数据字节数
功能	将用户空间的数据拷贝到内核空间

内核空间->用户空间：

函数	copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)
参数	目标地址（用户空间）
参数	源地址（内核空间）
参数	将要拷贝数据的字节数
返回值	成功返回0，失败返回没有拷贝成功的数据字节数
功能	将内核空间的数据拷贝到用户空间