Linux标准IO-系统调用详解

1.1 系统调用

系统调用（system call）其实是 Linux 内核提供给应用层的应用编程接口（API），是 Linux 应用层进入内核的入口。不止 Linux 系统，所有的操作系统都会向应用层提供系统调用，应用程序通过系统调用来使用操作系统提供的各种服务。

通过系统调用，Linux 应用程序可以请求内核以自己的名义执行某些事情，譬如打开磁盘中的文件、读写文件、关闭文件以及控制其它硬件外设。

通过系统调用 API，应用层可以实现与内核的交互，其关系可通过下图简单描述：

图 1.1.1 内核、系统调用与应用程序

内核提供了一系列的服务、资源、支持一系列功能，应用程序通过调用系统调用 API 函数来使用内核提供的服务、资源以及各种各样的功能，如果大家接触过其它操作系统编程，想必对此并不陌生，譬如Windows 应用编程，操作系统内核一般都会向应用程序提供应用编程接口 API，否则我们将我无法使用操作系统。

应用编程与裸机编程、驱动编程有什么区别？

在学习应用编程之前，相信大家都有过软件开发经验，譬如 51、STM32 等单片机软件开发、以及嵌入式 Linux 硬件平台下的驱动开发等，51、STM32 这类单片机的软件开发通常是裸机程序开发，并不会涉及到操作系统的概念，那应用编程与裸机编程以及驱动开发有什么区别呢？

就拿嵌入式 Linux 硬件平台下的软件开发来说，我们大可将编程分为三种，分别为

裸机编程
Linux 应用编程
Linux 驱动编程

首先对于裸机编程这个概念来说很好理解，一般把没有操作系统支持的编程环境称为裸机编程环境，譬如单片机上的编程开发，编写直接在硬件上运行的程序，没有操作系统支持；狭义上 Linux 驱动编程指的是基于内核驱动框架开发驱动程序，驱动开发工程师通过调用 Linux 内核提供的接口完成设备驱动的注册，驱动程序负责底层硬件操作相关逻辑，如果学习过 Linux 驱动开发的读者，想必对此并不陌生；而 Linux 应用编程（系统编程）则指的是基于 Linux 操作系统的应用编程，在应用程序中通过调用系统调用 API 完成应用程序的功能和逻辑，应用程序运行于操作系统之上。

通常在操作系统下有两种不同的状态：

内核态和用户态，应用程序运行在用户态、而内核则运行在内核态。

关于应用编程这个概念，以上给大家解释得很清楚了，以实现点亮一个 LED 功能为例，给大家简单地说明三者之间的区别，LED 裸机程序如下所示：

static void led_on(void) {
	/* 点亮 LED 硬件操作代码 */
}

static void led_off(void) {
 /* 熄灭 LED 硬件操作代码 */
}

int main(void) {
	 /* 用户逻辑 */
	 for ( ; ; ) {
		 led_on(); //点亮 LED
		 delay(); //延时
		 led_off(); //熄灭 LED
		 delay(); //延时
	 } 
}

可以看到在裸机程序当中，LED 硬件操作代码与用户逻辑代码全部都是在同一个源文件（同一个工程）中实现的，硬件操作代码与用户逻辑代码没有隔离，没有操作系统支持，代码编译之后直接在硬件平台运行，俗称"裸跑"。我们再来看一个 Linux 系统下的 LED 驱动程序示例代码，如下所示：

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>

static void led_on(void) {
 /* 点亮 LED 硬件操作代码 */
}

static void led_off(void) {
 /* 熄灭 LED 硬件操作代码 */
}

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
 /* 打开设备时需要做的事情 */
}

static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
 size_t size, loff_t *offt)
 {
	 int flag;
	 /* 获取应用层 write 的数据,存放在 flag 变量 */
	 if (copy_from_user(&flag, buf, size))
	 return -EFAULT;
	 /* 判断用户写入的数据,如果是 0 则熄灭 LED,如果是非 0 则点亮 LED */
	 if (flag)
		 led_on();
	 else
		 led_off();
	 return 0; 
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) {
 /* 关闭设备时需要做的事情 */
}
static struct file_operations led_fops = {
 .owner = THIS_MODULE,
 .open = led_open,
 .write = led_write,
 .release = led_release,
};

static int led_probe(struct platform_device *pdev) {
 /* 驱动加载时需要做的事情 */
}

static int led_remove(struct platform_device *pdev) {
 /* 驱动卸载时需要做的事情 */
}

static const struct of_device_id led_of_match[] = {
{ .compatible = "alientek,led", },
 { /* sentinel */ },
};

MODULE_DEVICE_TABLE(of, led_of_match);
static struct platform_driver led_driver = {
 .driver = {
 .owner = THIS_MODULE,
 .name = "led",
 .of_match_table = led_of_match,
 },
 .probe = led_probe,
 .remove = led_remove,
};
module_platform_driver(led_driver);
MODULE_DESCRIPTION("LED Driver");
MODULE_LICENSE("GPL");

以上并不是一个完整的 LED 驱动代码，如果没有接触过 Linux 驱动开发的读者，看不懂也没有关系，并无大碍，此驱动程序使用了最基本的字符设备驱动框架编写而成，非常简单；led_fops 对象中提供了 open、 write、release 方法，当应用程序调用 open 系统调用打开此 LED 设备时会执行到 led_open 函数，当调用 close 系统调用关闭 LED 设备时会执行到 led_release 函数，而调用 write 系统调用时会执行到 led_write 函数，此驱动程序的设定是当应用层调用 write 写入 0 时熄灭 LED，write 写入非 0 时点亮 LED。

驱动程序属于内核的一部分，当操作系统启动的时候会加载驱动程序，可以看到 LED 驱动程序中仅仅实现了点亮/熄灭 LED 硬件操作相关逻辑代码，应用程序可通过 write 这个系统调用 API 函数控制 LED 亮灭；接下来我们看看 Linux 系统下的 LED 应用程序示例代码，如下所示：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char **argv) {
	 int fd;
	 int data;
	 fd = open("/dev/led", O_WRONLY);//打开 LED 设备(假定 LED 的设备文件为/dev/led)
	 if (0 > fd)
		 return -1;

	 for ( ; ; ) {
		 data = 1;
		 write(fd, &data, sizeof(data)); //写 1 点亮 LED
		 sleep(1); //延时 1 秒
	
		 data = 0;
		 write(fd, &data, sizeof(data)); //写 0 熄灭 LED
		 sleep(1); //延时 1 秒
	 }
	 close(fd);
	 return 0; 
}

此应用程序也非常简单，仅只需实现用户逻辑代码即可，循环点亮、熄灭 LED，并不需要实现硬件操作相关，示例代码中调用了 open、write、close 这三个系统调用 API 接口，open 和 close 分别用于打开/关闭LED 设备，write 写入数据传给 LED 驱动，传入 0 熄灭 LED，传入非 0 点亮 LED。

LED 应用程序与 LED 驱动程序是分隔、分离的，它们单独编译，它们并不是整合在一起的，应用程序运行在操作系统之上，有操作系统支持，应用程序处于用户态，而驱动程序处于内核态，与纯粹的裸机程序存在着质的区别。Linux 应用开发与驱动开发是两个不同的方向，将来在工作当中也会负责不同的任务、解决不同的问题。