本节讲解Linux文件系统的目录结构，简单介绍Linux内核中文件系统的实现，并给出文件系统与设备驱动的关系。
5.2 Linux文件系统
5.2.1 Linux文件系统目录结构
进入Linux根目录（即“/”，Linux文件系统的入口，也是处于最高一级的目录），运行“ls –l”命令，看到Linux包含以下目录。
1./bin
包含基本命令，如ls、cp、mkdir等，这个目录中的文件都是可执行的。
2./sbin
包含系统命令，如modprobe、hwclock、ifconfig等，大多是涉及系统管理的命令，这个目录中的文件都是可执行的。
3./dev
设备文件存储目录，应用程序通过对这些文件的读写和控制以访问实际的设备。
4./etc
系统配置文件的所在地，一些服务器的配置文件也在这里，如用户账号及密码配置文件。busybox的启动脚本也存放在该目录。
5./lib
系统库文件存放目录等。
6./mnt
/mnt这个目录一般是用于存放挂载储存设备的挂载目录，比如含有cdrom等目录。可以参看/etc/fstab的定义。有时可以让系统开机自动挂载文件系统，并把挂载点放在这里。
7./opt
opt是“可选”的意思，有些软件包会被安装在这里。
8./proc
操作系统运行时，进程及内核信息（比如CPU、硬盘分区、内存信息等）存放在这里。/proc目录为伪文件系统proc的挂载目录，proc并不是真正的文件系统，它存在于内存之中。
9./tmp
用户运行程序的时候，有时会产生临时文件，/tmp用来存放临时文件。
10./usr
这个是系统存放程序的目录，比如用户命令、用户库等。
11./var
var表示的是变化的意思，这个目录的内容经常变动，如/var的/var/log目录被用来存放系统日志。
12./sys
Linux 2.6以后的内核所支持的sysfs文件系统被映射在此目录上。Linux设备驱动模型中的总线、驱动和设备都可以在sysfs文件系统中找到对应的节点。当内核检测到在系统中出现了新设备后，内核会在sysfs文件系统中为该新设备生成一项新的记录。
5.2.2 Linux文件系统与设备驱动
图5.1所示为Linux中虚拟文件系统、磁盘/Flash文件系统及一般的设备文件与设备驱动程序之间的关系。
图5.1 文件系统与设备驱动之间的关系
应用程序和VFS之间的接口是系统调用，而VFS与文件系统以及设备文件之间的接口是file_operations结构体成员函数，这个结构体包含对文件进行打开、关闭、读写、控制的一系列成员函数，关系如图5.2所示。
由于字符设备的上层没有类似于磁盘的ext2等文件系统，所以字符设备的file_operations成员函数就直接由设备驱动提供了，file_operations正是字符设备驱动的核心。块设备有两种访问方法，一种方法是不通过文件系统直接访问裸设备，另外一种方法
是通过文件系统来访问块设备，file_operations的实现则位于文件系统内，文件系统会把针对文件的读写转换为针对块设备原始扇区的读写。ext2、fat、Btrfs等文件系统中会实现针对VFS的file_operations成员函数，设备驱动层将看不到file_operations的存在。
图5.2 应用程序、VFS与设备驱动
在设备驱动程序的设计中，一般而言，会关心file和inode这两个结构体。
1.file结构体
file结构体代表一个打开的文件，系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。
代码清单5.3给出了文件结构体的定义。
代码清单5.3 文件结构体<linux/fs.h>
struct file {
union {
struct llist_node fu_llist;
struct rcu_head fu_rcuhead;
} f_u;
struct path f_path;
#define f_dentry f_path.dentry
struct inode *f_inode; /* cached value */
const struct file_operations *f_op; /* 和文件关联的操作*/
/*
* Protects f_ep_links, f_flags.
* Must not be taken from IRQ context.
*/
spinlock_t f_lock;
atomic_long_t f_count;
unsigned int f_flags;/*文件标志，如O_RDONLY、O_NONBLOCK、O_SYNC*/
fmode_t f_mode;/*文件读/写模式，FMODE_READ和FMODE_WRITE*/
struct mutex f_pos_lock;
loff_t f_pos;/* 当前读写位置 */
struct fown_struct f_owner;
const struct cred *f_cred;
struct file_ra_state f_ra;
u64 f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
void *f_security;
#endif
/* needed for tty driver, and maybe others */
void *private_data;/*文件私有数据*/
#ifdef CONFIG_EPOLL
/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
struct list_head f_ep_links;
struct list_head f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
struct address_space *f_mapping;
#ifdef CONFIG_FILE_TABLE_DEBUG
struct hlist_node f_hash;
#endif /* #ifdef CONFIG_FILE_TABLE_DEBUG */
} __attribute__((aligned(4)));
文件读/写模式mode、标志f_flags都是设备驱动关心的内容，而私有数据指针private_data在设备驱动中被广泛应用，大多被指向设备驱动自定义以用于描述设备的结构体。
下面的代码可用于判断以阻塞还是非阻塞方式打开设备文件：
if (file->f_flags & O_NONBLOCK) /* 非阻塞 */
pr_debug("open: non-blocking\n");
else /* 阻塞 */
pr_debug("open: blocking\n");
2.inode结构体 <linux/fs.h>
VFS inode包含文件访问权限、属主、组、大小、生成时间、访问时间、最后修改时间等信息。是Linux管理文件系统的最基本单位，也是文件系统连接任何子目录、文件的桥梁，inode结构体的定义如代码清单5.4所示。
代码清单5.4 inode结构体
struct inode {
umode_t i_mode;
unsigned short i_opflags;
kuid_t i_uid;
kgid_t i_gid;
unsigned int i_flags;
#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
struct posix_acl *i_acl;
struct posix_acl *i_default_acl;
#endif
const struct inode_operations *i_op;
struct super_block *i_sb;
struct address_space *i_mapping;
#ifdef CONFIG_SECURITY
void *i_security;
#endif
/* Stat data, not accessed from path walking */
unsigned long i_ino;
/*
* Filesystems may only read i_nlink directly. They shall use the
* following functions for modification:
*
* (set|clear|inc|drop)_nlink
* inode_(inc|dec)_link_count
*/
union {
const unsigned int i_nlink;
unsigned int __i_nlink;
};
dev_t i_rdev;
loff_t i_size;
struct timespec i_atime;
struct timespec i_mtime;
struct timespec i_ctime;
spinlock_t i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
unsigned short i_bytes;
unsigned int i_blkbits;
blkcnt_t i_blocks;
#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
seqcount_t i_size_seqcount;
#endif
/* Misc */
unsigned long i_state;
struct mutex i_mutex;
unsigned long dirtied_when; /* jiffies of first dirtying */
struct hlist_node i_hash;
struct list_head i_wb_list; /* backing dev IO list */
struct list_head i_lru; /* inode LRU list */
struct list_head i_sb_list;
union {
struct hlist_head i_dentry;
struct rcu_head i_rcu;
};
u64 i_version;
atomic_t i_count;
atomic_t i_dio_count;
atomic_t i_writecount;
#ifdef CONFIG_IMA
atomic_t i_readcount; /* struct files open RO */
#endif
const struct file_operations *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */
struct file_lock *i_flock;
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;
};
__u32 i_generation;
#ifdef CONFIG_FSNOTIFY
__u32 i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */
struct hlist_head i_fsnotify_marks;
#endif
#if IS_ENABLED(CONFIG_FS_ENCRYPTION)
struct fscrypt_info *i_crypt_info;
#endif
void *i_private; /* fs or device private pointer */
};
对于表示设备文件的inode结构，i_rdev字段包含设备编号。Linux内核设备编号分为主设备编号和次设备编号，前者为dev_t的高12位，后者为dev_t的低20位。下列操作用于从一个inode中获得主设备号和次设备号：
unsigned int iminor(struct inode *inode);
unsigned int imajor(struct inode *inode);
查看/proc/devices文件可以获知系统中注册的设备，第1列为主设备号，第2列为设备名，如： cat /proc/devices
Character devices:
1 mem
4 /dev/vc/0
4 tty
4 ttyS
5 /dev/tty
5 /dev/console
5 /dev/ptmx
5 ttyprintk
6 lp
7 vcs
10 misc
13 input
21 sg
29 fb
89 i2c
99 ppdev
108 ppp
128 ptm
136 pts
180 usb
189 usb_device
226 drm
244 mei
245 aux
246 ptp
247 pps
248 hidraw
249 bsg
250 watchdog
251 rtc
252 dimmctl
253 ndctl
254 tpm
Block devices:
259 blkext
7 loop
8 sd
9 md
11 sr
65 sd
66 sd
67 sd
68 sd
69 sd
70 sd
71 sd
128 sd
129 sd
130 sd
131 sd
132 sd
133 sd
134 sd
135 sd
252 device-mapper
253 virtblk
254 mdp
查看/dev目录可以获知系统中包含的设备文件，日期的前两列给出了对应设备的主设备号和次设备号：
ls -l /dev
total 0
crw------- 1 root root 10, 235 May 18 09:52 autofs
drwxr-xr-x 2 root root 340 May 18 09:52 block
drwxr-xr-x 2 root root 80 May 18 09:52 bsg
crw-rw---- 1 root disk 10, 234 May 18 09:52 btrfs-control
drwxr-xr-x 3 root root 60 May 18 09:52 bus
drwxr-xr-x 2 root root 3540 May 18 10:23 char
crw------- 1 root root 5, 1 May 18 09:52 console
主设备号是与驱动对应的概念，同一类设备一般使用相同的主设备号，不同类的设备一般使用不同的主设备号。因为同一驱动可支持多个同类设备，因此用次设备号来描述使用该驱动的设备的序号，序号一般从0开始。