對於Linux系統中，一般字符設備和驅動之間的函數調用關系如下圖所示
上圖描述了用戶空間應用程序通過系統調用來調用程序的過程。一般而言在驅動程序的設計中，會關系 struct file 和 struct inode 這兩個結構體。
用戶空間使用open()系統調用函數打開一個字符設備時（ int fd = open("dev/demo", O_RDWR) ）大致有以下過程：
- 在虛擬文件系統VFS中的查找對應與字符設備對應 struct inode節點
- 遍歷字符設備列表（chardevs數組），根據inod節點中的 cdev_t設備號找到cdev對象
- 創建struct file對象（系統采用一個數組來管理一個進程中的多個被打開的設備，每個文件秒速符作為數組下標標識了一個設備對象）
- 初始化struct file對象，將 struct file對象中的 file_operations成員指向 struct cdev對象中的 file_operations成員（file->fops = cdev->fops）
- 回調file->fops->open函數
一、inode結構體
VFS inode 包含文件訪問權限、屬主、組、大小、生成時間、訪問時間、最后修改時間等信息。它是Linux 管理文件系統的最基本單位，也是文件系統連接任何子目錄、文件的橋梁。
內核使用inode結構體在內核內部表示一個文件。因此，它與表示一個已經打開的文件描述符的結構體(即file 文件結構)是不同的，我們可以使用多個file 文件結構表示同一個文件的多個文件描述符，但此時，所有的這些file文件結構全部都必須只能指向一個inode結構體。
inode結構體包含了一大堆文件相關的信息，但是就針對驅動代碼來說，我們只要關心其中的兩個域即可：
- dev_t i_rdev; 表示設備文件的結點，這個域實際上包含了設備號。
- struct cdev *i_cdev; struct cdev是內核的一個內部結構，它是用來表示字符設備的，當inode結點指向一個字符設備文件時，此域為一個指向inode結構的指針。
下面是源代碼：
struct inode { struct hlist_node i_hash; struct list_head i_list; struct list_head i_sb_list; struct list_head i_dentry; unsigned long i_ino; atomic_t i_count; unsigned int i_nlink; uid_t i_uid;//inode擁有者id gid_t i_gid;//inode所屬群組id dev_t i_rdev;//若是設備文件，表示記錄設備的設備號 u64 i_version; loff_t i_size;//inode所代表大少 #ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED seqcount_t i_size_seqcount; #endif struct timespec i_atime;//inode最近一次的存取時間 struct timespec i_mtime;//inode最近一次修改時間 struct timespec i_ctime;//inode的生成時間 unsigned int i_blkbits; blkcnt_t i_blocks; unsigned short i_bytes; umode_t i_mode; spinlock_t i_lock; struct mutex i_mutex; struct rw_semaphore i_alloc_sem; const struct inode_operations *i_op; const struct file_operations *i_fop; struct super_block *i_sb; struct file_lock *i_flock; struct address_space *i_mapping; struct address_space i_data; #ifdef CONFIG_QUOTA struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS]; #endif struct list_head i_devices; union { struct pipe_inode_info *i_pipe; struct block_device *i_bdev; struct cdev *i_cdev;//若是字符設備，對應的為cdev結構 }; };
inode的相關操作函數
/* 內核函數從inode中提取設備號 */ /* 提取主設備號 */ static inline unsigned imajor(const struct inode *inode)
{
return MAJOR(inode->i_rdev); } /* 提取次設備號 */ static inline unsigned iminor(const struct inode *inode) { return MINOR(inode->i_rdev); }
二、file 文件結構體
在設備驅動中，這也是個非常重要的數據結構，必須要注意一點，這里的file與用戶空間程序中的FILE指針是不同的，用戶空間FILE是定義在C庫中，從來不會出現在內核中。而struct file，卻是內核當中的數據結構，因此，它也不會出現在用戶層程序中。
file結構體指示一個已經打開的文件（設備對應於設備文件），其實系統中的每個打開的文件在內核空間都有一個相應的struct file結構體，它由內核在打開文件時創建，並傳遞給在文件上進行操作的任何函數，直至文件被關閉。如果文件被關閉，內核就會釋放相應的數據結構。
在內核源碼中，struct file要么表示為file，或者為filp(意指“file pointer”), 注意區分一點，file指的是struct file本身，而filp是指向這個結構體的指針。
下面是幾個重要成員：
1、fmode_t f_mode;
此文件模式通過 FMODE_READ , FMODE_WRITE 識別了文件為可讀的，可寫的，或者是二者。在open或ioctl函數中可能需要檢查此域以確認文件的讀/寫權限，你不必直接去檢測讀或寫權限，因為在進行octl等操作時內核本身就需要對其權限進行檢測。
2、 loff_t f_pos;
當前讀寫文件的位置。為64位。如果想知道當前文件當前位置在哪，驅動可以讀取這個值而不會改變其位置。對read,write來說，當其接收到一個loff_t型指針作為其最后一個參數時，他們的讀寫操作便作更新文件的位置，而不需要直接執行filp ->f_pos操作。而
3、unsigned int f_flags;
文件標志，如 O_RDONLY , O_NONBLOCK 以及 O_SYNC 。在驅動中還可以檢查O_NONBLOCK標志查看是否有非阻塞請求。其它的標志較少使用。特別地注意的是，讀寫權限的檢查是使用f_mode而不是f_flog。所有的標量定義在頭文件中
4、struct file_operations *f_op;
與文件相關的各種操作。當文件需要迅速進行各種操作時，內核分配這個指針作為它實現文件打開，讀，寫等功能的一部分。filp->f_op 其值從未被內核保存作為下次的引用，即你可以改變與文件相關的各種操作，這種方式效率非常高。
file_operation 結構體解析如下：Linux字符設備驅動file_operations
5、 void *private_data;
在驅動調用open方法之前，open系統調用設置此指針為NULL值。你可以很自由的將其做為你自己需要的一些數據域或者不管它，如，你可以將其指向一個分配好的數據，但是你必須記得在file struct被內核銷毀之前在release方法中釋放這些數據的內存空間。private_data用於在系統調用期間保存各種狀態信息是非常有用的。
三、chardevs 數組
前面對用戶層open()的分析提到，通過數據結構 struct inode{...} 中的 i_cdev 成員可以找到cdev，而所有的字符設備都在 chrdevs 數組中，chrdevs具體是什么樣的呢
下面先看一下 chrdevs 的定義：
#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255 static DEFINE_MUTEX(chrdevs_lock);
static struct char_device_struct { struct char_device_struct *next; // 結構體指針 unsigned int major; // 主設備號 unsigned int baseminor; // 次設備起始號 int minorct; // 次備號個數 char name[64]; struct cdev *cdev; /* will die */ } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];// 只能掛255個字符主設備<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; rgb(255, 255, 255);"> </span>
可以看到全局數組 chrdevs 包含了255(CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 的值)個 struct char_device_struct的元素，每一個對應一個相應的主設備號。
如果分配了一個設備號,就會創建一個 struct char_device_struct 的對象,並將其添加到 chrdevs 中；這樣,通過chrdevs數組,我們就可以知道分配了哪些設備號。
相關函數，（這些函數在上篇已經介紹過，現在回顧一下：
register_chrdev_region( ) 分配指定的設備號范圍
alloc_chrdev_region( ) 動態分配設備范圍
他們都主要是通過調用函數 __register_chrdev_region() 來實現的；要注意,這兩個函數僅僅是注冊設備號!如果要和cdev關聯起來,還要調用cdev_add()。
register_chrdev( )申請指定的設備號,並且將其注冊到字符設備驅動模型中.
它所做的事情為:
- 注冊設備號, 通過調用 __register_chrdev_region() 來實現
- 分配一個cdev, 通過調用 cdev_alloc() 來實現
- 將cdev添加到驅動模型中, 這一步將設備號和驅動關聯了起來. 通過調用 cdev_add() 來實現
- 將第一步中創建的 struct char_device_struct 對象的 cdev 指向第二步中分配的cdev. 由於register_chrdev()是老的接口,這一步在新的接口中並不需要。
四、cdev 結構體
Linux內核中，使用 struct cdev 來描述一個字符設備
五、文件系統中對字符設備文件的訪問
下面看一下上層應用open() 調用系統調用函數的過程
對於一個字符設備文件, 其inode->i_cdev 指向字符驅動對象cdev, 如果i_cdev為 NULL ,則說明該設備文件沒有被打開.
由於多個設備可以共用同一個驅動程序.所以,通過字符設備的inode 中的i_devices 和 cdev中的list組成一個鏈表
首先,系統調用open打開一個字符設備的時候, 通過一系列調用,最終會執行到 chrdev_open
(最終是通過調用到def_chr_fops中的.open, 而def_chr_fops.open = chrdev_open. 這一系列的調用過程,本文暫不討論)
int chrdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)
chrdev_open()所做的事情可以概括如下:
1. 根據設備號(inode->i_rdev), 在字符設備驅動模型中查找對應的驅動程序, 這通過kobj_lookup() 來實現, kobj_lookup()會返回對應驅動程序cdev的kobject.
2. 設置inode->i_cdev , 指向找到的cdev.
3. 將inode添加到cdev->list 的鏈表中.
4. 使用cdev的ops 設置file對象的f_op
5. 如果ops中定義了open方法,則調用該open方法
6. 返回
執行完 chrdev_open()之后,file對象的f_op指向cdev的ops,因而之后對設備進行的read, write等操作,就會執行cdev的相應操作。
得到進程號：
asm/current.h
linux/sched.h
#define current get_current()
得到進程號：current->pid
得到進程名：current->comm