文件系統(tǒng)-一切皆文件的設(shè)計理念

在這一節(jié)中，我們來一起學(xué)習(xí)和完成文件樹中最后一個關(guān)鍵性內(nèi)容——一切皆文件的設(shè)計理念。

所謂一切皆文件就是指計算機(jī)操作系統(tǒng)將一切計算機(jī)的可用資源都映射成文件形式向使用者提供統(tǒng)一的操作方式。我們在第一節(jié)時已經(jīng)有了明確的講述，在這一節(jié)中我們來看一下具體的設(shè)計理念和實現(xiàn)方法。我們在操作系統(tǒng)中為用戶構(gòu)建的虛擬系統(tǒng)中，樹的每一個節(jié)點都是一個文件，而這些文件雖然有著不同的類型和功能，如普通文件、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、顯示器、內(nèi)存頁、操作系統(tǒng)調(diào)度狀態(tài)等等，但卻有著相同的文件操作接口。對于用戶而言普通文件的操作通常只有“打開”、“關(guān)閉”、“讀取”、“寫入”這幾個操作，而對于較為特殊的文件，通常還需要加入“輸入輸出控制”、“嘗試獲取數(shù)據(jù)”這兩個操作，因此對于虛擬文件系統(tǒng)中的文件我們可以為其定義這樣6個通用的操作：

• open()
• close()
• read()
• write()
• ioctl()
• poll()
  `
  這6個函數(shù)是目前操作系統(tǒng)中對文件操作的函數(shù)，當(dāng)然有的操作系統(tǒng)還實現(xiàn)了一些其它的操作函數(shù)，我們不一一列舉，只是針對這6個最具有代表性的函數(shù)進(jìn)行說明。用戶對文件樹中的文件進(jìn)程上面6個操作，也就是說每一個文件節(jié)點中應(yīng)該有這6個函數(shù)的實現(xiàn)方法。具體來說，我們在虛擬文件樹中注冊一個設(shè)備節(jié)點時，這個設(shè)備節(jié)點就是虛擬文件樹中的一個文件，我們可以為此設(shè)備節(jié)點的結(jié)構(gòu)體加入上述6個函數(shù)指針：

typedef struct file_operations_s
{
  int (*open)(void);
  int (*close)(void);
  size_t (*read)(void *, size_t);
  size_t (*write)(const void *, size_t);
  int (*ioctl)(unsigned int, unsigned long);
  int (*poll)(unsigned int);
} file_operations_s;


typedef struct vfs_node_s
{
  struct vfs_node_s *sibling;
  struct vfs_node_s *child;
  char name[NODE_NAME_SIZE];
  struct file_operations_s ops;
} vfs_node_s;

在這里我們定義了一個結(jié)構(gòu)體struct file_operations_s，這個結(jié)構(gòu)體中定義了6個函數(shù)指針，用于表示這個文件的通用的6個操作。而具體的實現(xiàn)由注冊這個設(shè)備節(jié)點的具體驅(qū)動程序來實現(xiàn)。接下來我們來實現(xiàn)當(dāng)用戶對某一個文件進(jìn)行這6個操作時，虛擬文件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法：

//打開文件
int open(char *path, int oflag, int mode)
{
  vfs_node_s *node = fs_get_node(path);
  pcb_s *pcb = sche_curr_pcb();
  node- >ops.open();
  uint32_t ind = fcntl_first_empty(pcb);
  //申請節(jié)點
  fcntl_alloc(pcb, ind);
  pcb- >fnodes[ind] = node;
  return ind;
}


//關(guān)閉文件
int close(int fd)
{
  pcb_s *pcb = sche_curr_pcb();
  vfs_node_s *node = pcb- >fnodes[fd];
  int ret = node- >ops.close();
  pcb- >fnodes[fd] = NULL;
  fcntl_free(pcb, fd);
  return ret;
}


//讀取文件內(nèi)容
size_t read(int fd, void *buf, size_t count)
{
  pcb_s *pcb = sche_curr_pcb();
  vfs_node_s *node = pcb- >fnodes[fd];
  return node- >ops.read(NULL, buf, count);
}


//寫入文件內(nèi)容
size_t write(int fd, void *buf, size_t count)
{
  pcb_s *pcb = sche_curr_pcb();
  vfs_node_s *node = pcb- >fnodes[fd];
  return node- >ops.write(NULL, buf, count);
}


//輸入輸出控制
int ioctl(int fd, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
  pcb_s *pcb = sche_curr_pcb();
  vfs_node_s *node = pcb- >fnodes[fd];
  return node- >ops.ioctl(NULL, cmd, arg);
}


//嘗試獲取資源
int poll(int fd, unsigned int ms)
{
  pcb_s *pcb = sche_curr_pcb();
  vfs_node_s *node = pcb- >fnodes[fd];
  return node- >ops.poll(ms);
}

最后，我們來具體看一下如何編寫一個驅(qū)動程序，并將這個驅(qū)動程序注冊為虛擬文件系統(tǒng)中的一個設(shè)備節(jié)點，即文件。用戶又如何通過通用的操作來實現(xiàn)對此設(shè)備的控制。

最簡單的，我們可以通過對一個GPIO引腳的拉高拉低來實現(xiàn)一個LED燈的亮和滅，使用Cortex-M3處理下的實現(xiàn)方式有兩步，第一步：初始化GPIO引腳；第二步：對GPIO進(jìn)行拉高或拉低，從而達(dá)到LED亮和滅的操作。具體實現(xiàn)程序如下：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

接下來，當(dāng)我們需要點亮LED燈時，對PC4引腳拉低；當(dāng)需要熄滅時，對PC4引腳拉高，于是程序如下：

//點亮，拉低
GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_4, 0);


//熄滅，拉高
GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_4, 1);

對于驅(qū)動程序而言，我們不希望用戶在使用LED時編寫較為復(fù)雜的、直接操作硬件的代碼，而是希望操作系統(tǒng)為用戶提供一個通用的操作接口函數(shù)，于是我們就可以編寫一個驅(qū)動程序，并向操作系統(tǒng)注冊一個"/dev/led"設(shè)備節(jié)點，而"/dev/led"這個文件就是一個設(shè)備文件，它的內(nèi)部由驅(qū)動開發(fā)人員完成與硬件交互的功能，對使用人員則只提供open()、close()、read()、write()、ioctl()、poll()等操作函數(shù)。對于LED燈來說，驅(qū)動程序比較簡單我們只實現(xiàn)其open()、close()、ioctl()這3個函數(shù)。有興趣的讀者可以自行實現(xiàn)read()、write()、poll()等函數(shù)：

#define LED_IOCTL_ON (0)
#define LED_IOCTL_OFF (0)


void led_drv_init(void)
{
  file_operations_s ops = {0};
  ops.open = led_open;
  ops.close = led_close;
  ops.read = NULL;
  ops.write = NULL;
  ops.ioctl = led_ioctl;
  ops.poll = NULL;
  fs_register_dev("/dev/led", ops);
}


int led_open(void)
{
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);


  return 0;
}


int led_close(void)
{
  return 0;
}


int led_ioctl(void, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
  switch (cmd)
  {
  case LED_IOCTL_ON:
    GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_4, 0);
    break;


  case LED_IOCTL_OFF:
    GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_4, 1);
    break;

  default:
    break;
  }
  return 0;
}

這樣我們就編寫了一個LED燈的驅(qū)動程序，并在操作系統(tǒng)中注冊為"/dev/led"設(shè)備節(jié)點，即文件。用戶可以通過以下方式來操作這個LED設(shè)備：

int fd = open("/dev/led");


//點亮
ioctl(fd, LED_IOCTL_ON);
//熄滅
ioctl(fd, LED_IOCTL_OFF);


close(fd);

對于用戶而言，操作這個硬件LED燈就與操作普通文件一樣，通過open()函數(shù)打開這個文件，通過ioctl這個函數(shù)對這個文件進(jìn)行相關(guān)的控制，使用完畢之后再通過close()函數(shù)關(guān)閉此文件，于是，硬件與用戶之間就減少了很多特定的功能操作，用戶也不必關(guān)心硬件設(shè)備的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需要對這個設(shè)備文件進(jìn)行通用操作即可。而對于編寫驅(qū)動程序的人員來說，只需要將硬件相關(guān)的程序和操作封裝到驅(qū)動程序內(nèi)部即可，無需暴露給用戶。這樣就實現(xiàn)了“一切皆文件”的設(shè)計理念。