【Note】《深入理解Linux内核》Chapter 13 ：深入理解 Linux 内核中的 I/O 架构与设备驱动

《深入理解Linux内核》Chapter 13 ：深入理解 Linux 内核中的 I/O 架构与设备驱动

关键词：I/O 子系统、字符设备、块设备、VFS、设备驱动、file_operations、设备号、cdev、gendisk、驱动模型、模块加载、udev

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一、Linux I/O 架构总览

1.1 为什么需要抽象化的 I/O 架构？

• 设备多样性（硬盘、串口、键盘、GPU）；
• 设备访问方式差异极大；
• 用户空间程序期望统一的访问接口。

因此，Linux 内核定义了统一的 设备驱动模型，将设备与内核、用户空间解耦。

1.2 I/O 子系统的三层结构

+------------------------+
| 用户空间（应用程序）    |
| open(), read(), ioctl()|
+------------------------+
| 虚拟文件系统（VFS）     |
| 统一的文件接口           |
+------------------------+
| 设备驱动                |
| 字符/块/网络设备驱动     |
+------------------------+
| 硬件设备                |
+------------------------+

• 应用调用系统调用接口；
• VFS 负责路径查找与权限管理；
• 设备驱动通过 file_operations 提供操作实现；
• 实际访问硬件由驱动完成。

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二、字符设备与块设备的区别

2.1 字符设备（Character Device）

• 以字节流方式进行访问；
• 不支持随机访问；
• 如串口、终端、输入设备、声卡。

2.2 块设备（Block Device）

• 按固定大小块（如 512B、4KB）访问；
• 支持随机访问；
• 如硬盘、SSD、RAM 磁盘。

2.3 网络设备属于独立类别，不通过 VFS 接口，而由 socket 层处理。

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三、设备号与设备节点

每个设备由一个唯一的 设备号（device number） 标识，包含：

• 主设备号（major number）：标识驱动程序；
• 次设备号（minor number）：标识驱动内的具体设备。

# 查看设备号
ls -l /dev/ttyS0
crw-rw---- 1 root dialout 4, 64 /dev/ttyS0

• 4 是主设备号，64 是次设备号。

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四、字符设备驱动的注册与操作流程

4.1 注册字符设备

字符设备在内核中用 cdev 表示：

#include 

struct cdev *my_cdev;
dev_t devno;

alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "mydev");
my_cdev = cdev_alloc();
my_cdev->ops = &my_fops;
cdev_add(my_cdev, devno, 1);

4.2 实现 file_operations 接口

static ssize_t my_read(struct file *f, char __user *buf, size_t len, loff_t *offset);
static ssize_t my_write(struct file *f, const char __user *buf, size_t len, loff_t *offset);
static int my_open(struct inode *i, struct file *f);
static int my_release(struct inode *i, struct file *f);

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

• 用户空间通过 read()、write() 访问时，最终会调用上述函数。

4.3 创建设备节点

#include 

struct class *my_class = class_create(THIS_MODULE, "myclass");
device_create(my_class, NULL, devno, NULL, "mydev");

将会在 /dev/mydev 生成一个设备节点。

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五、块设备驱动的结构

5.1 块设备驱动框架

• 每个块设备用 gendisk 表示；
• 调度器将请求封装成 bio；
• 驱动通过 request_queue 接收请求并完成；

5.2 注册块设备

struct gendisk *gd = alloc_disk(1);
gd->major = major;
gd->first_minor = 0;
gd->fops = &my_block_fops;
gd->queue = my_request_queue;
add_disk(gd);

5.3 IO 请求处理

static void my_request_fn(struct request_queue *q)
{
    struct request *req;
    while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) {
        // 读取 req->sector, req->buffer
        // 执行数据复制或硬件访问
        __blk_end_request_all(req, 0);
    }
}

• blk_init_queue() 或 blk_alloc_queue() 创建请求队列；
• 用于支持调度器、合并请求、延迟执行等。

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六、模块化驱动设计与热插拔

6.1 模块编写框架

static int __init my_init(void) {
    // 注册设备
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void) {
    // 注销设备
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

6.2 加载与卸载

insmod mymodule.ko
rmmod mymodule

内核模块支持动态加载，热插拔设备（如 USB）可以自动加载对应驱动。

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七、udev 与设备自动管理

Linux 中用户空间的 udev 子系统负责：

• 动态创建 /dev 下的设备节点；
• 加载模块、设定权限；
• 响应内核发送的 uevent。

例如插入 U 盘时，内核会发出 uevent，udev 捕捉后：

• 创建 /dev/sdb；
• 执行 mount 或提示用户挂载。

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八、I/O 缓存与内核缓冲区

设备读写通常是慢速操作，内核通过缓冲机制提高性能：

• 页缓存（page cache）：用于块设备（磁盘文件）；
• 环形缓冲区（circular buffer）：用于字符设备（串口）；
• request queue：支持 IO 调度与合并优化；
• bio 结构：表示底层块设备操作单元。

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九、中断处理与驱动

驱动可以注册中断处理函数：

request_irq(irq_number, handler, IRQF_SHARED, "mydev", dev_id);

• 中断触发时执行 handler；
• 可与工作队列（workqueue）、tasklet 协作完成下半部分处理。

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十、sysfs 与驱动模型统一接口

Linux 通过 sysfs（通常挂载在 /sys）暴露设备与驱动信息：

ls /sys/class/
ls /sys/block/
ls /sys/bus/

驱动注册时，创建设备类和属性，udev 可利用这些信息设置规则。

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十一、字符与块设备操作对比表

特性	字符设备	块设备
访问粒度	字节流	块（通常为 512 字节或 4KB）
支持缓存	无内核页缓存	使用 page cache 和 writeback
文件系统挂载	不可挂载	支持挂载（如 /dev/sda1）
接口函数	file_operations	file_operations + 请求队列
示例设备	串口、终端、键盘	硬盘、SSD、光盘

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十二、调试工具与技巧

• dmesg：查看模块加载、驱动信息；
• lsmod：列出已加载模块；
• cat /proc/devices：列出主设备号；
• udevadm monitor：查看设备事件；
• strace：跟踪系统调用，包括 open() 等；
• debugfs：内核调试用虚拟文件系统；

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十三、设备驱动开发建议

1. 从简单的字符设备开始学习；
2. 使用 qemu + 虚拟设备测试驱动加载与卸载；
3. 理解中断上下文与同步机制（spinlock vs mutex）；
4. 使用日志打印配合 dmesg 调试驱动；
5. 学习设备模型、设备树（platform driver）、内核事件处理。

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十四、源码文件索引

文件	作用描述
fs/char_dev.c	字符设备注册与管理
fs/block_dev.c	块设备操作实现
drivers/char/	多种字符设备驱动源码
drivers/block/	块设备驱动（如 loop、ramdisk）
include/linux/fs.h	file_operations, inode 等结构定义
drivers/base/	统一驱动模型代码