一、前言

打開文件是Linux系統(tǒng)中最基本的操作之一，open函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)打開文件的功能。下面我將為您介紹open函數(shù)打通上層到底層硬件的詳細(xì)過程。

二、open函數(shù)打通軟硬件介紹

open函數(shù)是系統(tǒng)調(diào)用中的一種，其原型定義在頭文件unistd.h中：

#include <unistd.h>int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

其中，pathname參數(shù)是要打開的文件名，flags參數(shù)是打開文件時的標(biāo)志，mode參數(shù)是文件的訪問權(quán)限。

當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用open函數(shù)時，該函數(shù)首先會在內(nèi)存中創(chuàng)建一個file結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體表示應(yīng)用程序和文件之間的連接，其中包含了文件的各種屬性，例如文件類型、文件訪問權(quán)限、文件長度等等。這個file結(jié)構(gòu)體通常被稱為文件句柄（file handle）或文件描述符（file descriptor），用一個整數(shù)來表示，該整數(shù)被賦予一個非負(fù)值。

接著，open函數(shù)會調(diào)用文件系統(tǒng)的VFS（Virtual File System）層，VFS層是Linux文件系統(tǒng)的核心部分，其作用是將文件系統(tǒng)的各種實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隱藏起來，為上層應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的接口。VFS層通過查找文件系統(tǒng)的超級塊（super block）來確定文件的類型和位置，并找到相應(yīng)的文件系統(tǒng)對象（inode）。

VFS層在找到文件系統(tǒng)對象后，會通過驅(qū)動程序中的文件操作函數(shù)（file operations）實(shí)現(xiàn)文件的打開操作，這些函數(shù)通常包括open、read、write、lseek、ioctl等等。驅(qū)動程序的文件操作函數(shù)被定義在一個結(jié)構(gòu)體中，這個結(jié)構(gòu)體通常被稱為file_operations結(jié)構(gòu)體，其中包含了驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)的各種文件操作函數(shù)指針。

三、驅(qū)動中的open函數(shù)

在驅(qū)動程序中，實(shí)現(xiàn)文件打開操作的函數(shù)通常是open函數(shù)，該函數(shù)的原型定義在頭文件linux/fs.h中：

int (*open) (struct inode *, struct file *);

open函數(shù)中的第一個參數(shù)是文件系統(tǒng)對象（inode），第二個參數(shù)是文件句柄（file）。

當(dāng)驅(qū)動程序的open函數(shù)被調(diào)用時，它會根據(jù)文件句柄中保存的文件屬性和訪問標(biāo)志（flags），確定文件打開的方式，例如只讀、只寫、讀寫等。接著，它會通過一系列的操作，將文件和硬件設(shè)備打通。

具體來說，打開文件時，驅(qū)動程序的open函數(shù)會調(diào)用底層設(shè)備驅(qū)動程序的probe函數(shù)，probe函數(shù)會根據(jù)設(shè)備的硬件類型和地址，初始化硬件設(shè)備并建立驅(qū)動程序和設(shè)備之間的聯(lián)系。在這個過程中，驅(qū)動程序需要完成一系列的操作，例如打開設(shè)備的總線、尋找設(shè)備、初始化設(shè)備、注冊設(shè)備等等。

在設(shè)備驅(qū)動程序和硬件設(shè)備之間建立聯(lián)系后，驅(qū)動程序就可以通過訪問設(shè)備寄存器、執(zhí)行設(shè)備指令等方式，向硬件設(shè)備發(fā)送各種命令，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制和訪問。

當(dāng)應(yīng)用程序通過調(diào)用read、write、ioctl等函數(shù)來讀寫文件時，這些函數(shù)實(shí)際上是通過調(diào)用驅(qū)動程序中的read、write、ioctl等操作函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動程序中的這些操作函數(shù)會將數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序空間拷貝到內(nèi)核空間，再將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到硬件設(shè)備的寄存器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和處理。

當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用close函數(shù)來關(guān)閉文件時，系統(tǒng)會調(diào)用驅(qū)動程序中的release函數(shù)來釋放文件所占用的資源。release函數(shù)通常用來做一些清理工作，例如關(guān)閉設(shè)備、釋放內(nèi)存等等。

open函數(shù)是打通上層應(yīng)用程序和底層硬件設(shè)備的關(guān)鍵，它通過調(diào)用文件系統(tǒng)、VFS層、設(shè)備驅(qū)動程序等一系列操作，將應(yīng)用程序和硬件設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備的控制和訪問。因此，對于Linux驅(qū)動開發(fā)工程師來說，深入理解open函數(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和內(nèi)部機(jī)制是非常重要的。

四、舉個例子

下面我將以控制GPIO為例，介紹open函數(shù)在其中的作用。

GPIO（General Purpose Input/Output）是一種通用的輸入輸出引腳，可以通過編程控制來實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的控制和交互。在Linux系統(tǒng)中，GPIO的控制通常是通過設(shè)備驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn)的，該驅(qū)動程序會提供open、read、write、ioctl等函數(shù)，用于與用戶空間的應(yīng)用程序進(jìn)行交互。

在控制GPIO的程序中，通常需要先打開GPIO設(shè)備，然后才能進(jìn)行后續(xù)的讀寫操作。當(dāng)調(diào)用open函數(shù)打開GPIO設(shè)備時，系統(tǒng)會自動調(diào)用GPIO設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序的open函數(shù)。在open函數(shù)中，設(shè)備驅(qū)動程序會根據(jù)傳入的參數(shù)，確定GPIO設(shè)備的狀態(tài)和屬性，并將其初始化。

接著，設(shè)備驅(qū)動程序會調(diào)用內(nèi)核中的GPIO子系統(tǒng)，通過GPIO子系統(tǒng)來訪問硬件設(shè)備，例如讀取GPIO的電平狀態(tài)、設(shè)置GPIO的電平狀態(tài)等等。GPIO子系統(tǒng)會負(fù)責(zé)將內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為硬件所需的信號，實(shí)現(xiàn)對GPIO的控制。

當(dāng)應(yīng)用程序需要對GPIO進(jìn)行讀寫操作時，會調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序中的read、write函數(shù)。在read函數(shù)中，設(shè)備驅(qū)動程序會通過GPIO子系統(tǒng)讀取GPIO的電平狀態(tài)，并將其返回給應(yīng)用程序；在write函數(shù)中，設(shè)備驅(qū)動程序會通過GPIO子系統(tǒng)設(shè)置GPIO的電平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對GPIO的控制。

最后，當(dāng)應(yīng)用程序關(guān)閉GPIO設(shè)備時，會調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序中的release函數(shù)，該函數(shù)會負(fù)責(zé)釋放GPIO設(shè)備所占用的資源，并將GPIO設(shè)備關(guān)閉。

綜上所述，open函數(shù)在控制GPIO的程序中起到了連接應(yīng)用程序和底層硬件設(shè)備的作用，它通過調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序的open函數(shù)和內(nèi)核中的GPIO子系統(tǒng)，將應(yīng)用程序和GPIO設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)對GPIO的控制和訪問。

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