从系统调用到设备驱动：详解open、syscall_open和drv_open

open系统调用、syscall_open函数和drv_open函数之间的联系和区别

1. open 系统调用：

   • 角色：用户空间的系统调用接口，用于打开文件或设备。

   • 作用：这是用户程序用来请求打开文件的接口。用户程序通过调用 open 系统调用（如 open("/dev/mydevice", O_RDWR)）来打开文件或设备，获取一个文件描述符。

   • 实现：open 系统调用在用户空间的C标准库（如 glibc）中实现，会触发内核中的相应处理函数陷入内核空间，最终调用具体的文件或设备驱动程序的 open 实现。

   • 示例：

     int fd = open("/dev/my_device", O_RDWR);
     

2. syscall_open 函数：

   • 角色：位于内核空间，是内核中的系统调用处理函数，是 open 系统调用在内核中的实现。

   • 作用：syscall_open 是内核处理 open 系统调用的入口点。它负责解析用户空间传入的参数（如文件路径、打开标志等），并调用与文件或设备关联的 file_operations 结构体中具体的驱动程序的 open 方法，即 drv_open来打开文件。

   • 实现：syscall_open 通常由内核开发者实现，是内核的一个内部函数。

   • 示例：

     // 内核中系统调用处理函数的简化示例
     long sys_open(const char __user *filename, int flags, umode_t mode) {
         // 查找文件路径，获取 inode 和 file 结构体
         struct file *filp = do_filp_open(AT_FDCWD, filename, flags);
         // 调用文件的 open 方法
         return finish_open(filp, NULL, O_RDWR);c
     }

3. drv_open 函数：

   • 角色：drv_open 位于具体的设备驱动程序代码中，是设备驱动程序中的具体实现函数，是 file_operations 结构体中的一个函数指针。

   • 作用：drv_open 是具体设备驱动程序实现的 open 方法。它执行与设备打开相关的具体操作，如初始化设备、分配资源等。

   • 实现：drv_open 由设备驱动开发者实现，作为 file_operations 结构体中的 open 方法，主要功能是执行设备特定的操作，如初始化硬件、分配设备资源、设置设备状态等。

   • 示例：

     // 设备驱动程序中的 open 方法实现
     static int drv_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
         // 设备特定的初始化操作
         printk(KERN_INFO "Device opened\n");
         return 0;
     }
     ​
     static const struct file_operations my_fops = {
         .owner = THIS_MODULE,
         .open = drv_open,
         // 其他操作函数
     };

之间的联系和流程

1. 用户空间调用 open 系统调用：

   • 用户空间的应用程序通过调用 open 系统调用请求打开一个文件或设备。

2. 进入内核空间，调用 syscall_open：

   • 系统调用机制将控制权转交给内核，进入 syscall_open 函数（具体名称和实现可能因内核版本不同而有所不同）。

3. 内核找到对应的文件系统操作方法：

   • syscall_open 通过文件路径找到对应的 inode 结构体，从而找到与该文件或设备相关的 struct file_operations 结构体。

4. 调用驱动程序的 open 方法（drv_open）：

   • 内核通过 file_operations 结构体中的 open 方法指针，调用具体驱动程序实现的 drv_open 函数。

   • drv_open 执行设备特定的打开操作，如硬件初始化、资源分配等。

函数实现的伪代码

syscall_open函数实现的伪代码：

int syscall_open(const char *filename,int flag)
{
    dev_t devno;
    struct inode *pnode = NULL;
    struct cdev *pcdev = NULL;
    struct file *pfile = NULL;
    int fd = -1;
    
    /*根据filename在内核中查找该文件对应的struct inode对象地址
        找到则pnode指向该对象
        未找到则创建新的struct inode对象，pnode指向该对象，并从文件系统中读取文件的元信息到该对象*/
    if(/*未找到对应的struct inode对象*/)
    {/*根据文件种类决定如何进行下面的操作，如果是字符设备则执行如下操作*/
    
        /*从pnode指向对象中得到设备号*/
        devno = pnode->i_rdev;
    
        /*用devno在字符设备链表查找对应节点，并将该节点的地址赋值给pcdev*/
    
        /*pcdev赋值给pnode的i_cdev成员*/
        pnode->i_cdev = pcdev;
    }
    
    /*创建struct file对象，并将该对象的地址赋值给pfile*/
    
    pfile->f_op = pnode->i_cdev->ops;
    pfile->f_flags = flag;
    
    /*调用驱动程序的open函数*/
    pfile->f_op->open(pnode,pfile,flag);
    
    /*将struct file对象地址填入进程的描述符数组，得到对应位置的下标赋值给fd*/
    
    return fd;
}