Linux 应用程序如何操作底层硬件

何呵呵0-0

249人浏览 · 2026-03-09 11:39:16

何呵呵0-0 · 2026-03-09 11:39:16 发布

Linux 应用程序如何操作底层硬件

本文梳理，在 Linux 系统下应用程序是如何一步步操作底层硬件设备的。了解这一流程，是理解 Linux 驱动开发的第一步。

01 用户空间与内核空间的隔离

在 Linux 系统中，出于对系统稳定性和安全性的保护，程序的运行空间被严格划分为了两部分：

应用程序：运行在 用户空间（User Space）
Linux 驱动：属于内核的一部分，运行在 内核空间（Kernel Space）

⚠️ 用户空间是不能直接对内核空间进行操作的。

因此，应用程序必须通过 「系统调用」（System Call），实现从用户空间「陷入」（Trap）到内核空间，从而间接控制底层硬件。

02 file_operations 结构体

在 Linux 内核源码的 include/linux/fs.h 文件中，定义了一个至关重要的结构体：file_operations。

💡 重点：它包含了所有的 Linux 内核驱动操作函数。可以说，它是连接应用层系统调用和底层驱动程序的核心「桥梁」。

在这里插入图片描述

核心源码剖析

struct file_operations {

  // 拥有该结构的模块的指针，一般为 THIS_MODULES
  struct module *owner;

  // 用来修改文件当前的读写位置
  loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

  // 从设备中同步读取数据
  ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

  // 向设备写入数据
  ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

  // 初始化一个异步的读取操作
  ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

  // 初始化一个异步的写入操作
  ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

  // 仅用于读取目录，对于设备文件该字段为 NULL
  int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);

  // 轮询函数，判断目前是否可以进行非阻塞的读写或写入
  unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

  // 执行设备 I/O 控制命令
  int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);

  // 不使用 BLK 文件系统时，使用此函数指针代替 ioctl
  long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

  // 在 64 位系统上，32 位的 ioctl 调用将使用此函数指针代替
  long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

  // 用于请求将设备内存映射到进程地址空间
  int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

  // 打开设备
  int (*open) (struct inode *, struct file *);

  // 刷新待处理的数据
  int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);

  // 关闭设备
  int (*release) (struct inode *, struct file *);

  // 同步/异步刷新待处理的数据
  int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
  int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);

  // 通知设备 FASYNC 标志发生变化
  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 **);

};