1. 基础概念

1.1 系统调用

系统调用实际上是Linux内核为上层应用程序提供的API接口，方便应用程序进行调用，类似于SVC。

1.2 库函数

库函数是应用层里边的东西，在系统调用的上层，通常以动态库文件（.so）形式提供。与系统调用区别是：库函数是属于应用层，而系统调用是内核提供给应用层的编程接口，属于系统内核的一部分； 库函数运行在用户空间，调用系统调用会由用户空间（用户态）陷入到内核空间（内核态）； 库函数通常是有缓存的，而系统调用是无缓存的，所以在性能、效率上，库函数通常要优于系统调 用； 可移植性：库函数相比于系统调用具有更好的可移植性。

2. I/O基础

open/write/read/close等，主要说一下lseek。lseek函数用于设置文件读写偏移量，其他详细信息看手册。

3. Linux系统下的文件管理

3.1 静态文件与inode

静态文件：电脑硬盘、移动硬盘、U 盘等外部存储设 备，文件存放在磁盘文件系统中，并且以一种固定的形式进行存放，我们把他们称为静态文件。

inode：实际上是一个结构体，记录了文件的不同信息；并且一个inode对应一个文件，多个inode组成一个inode表。可通过命令“ls -i”查看inode号。

3.2 磁盘分区

磁盘分为数据区和inode区，数据区用于存储文件中的数据；inode区用于存放inode表。

快速格式化：仅删除了u盘的inode区，但是没有删除数据区，因此可以找回数据。

3.3 文件状态

文件打开过程：首先系统根据文件名找对文件对应的inode编号；然后通过该编号去inode表里边寻找对应的inode结构体；最后根据结构体里边记录的信息，确定文件的数据所在的扇区，最后读出数据。

文件打开状态：调用open函数去打开文件的时候，内核会申请一段内存（一段缓冲区），并且将静态文件的数 据内容从磁盘这些存储设备中读取到内存中进行管理、缓存（也把内存中的这份文件数据叫做动态文件、内 核缓冲区）。打开文件后，以后对这个文件的读写操作，都是针对内存中这一份动态文件进行相关的操作， 而并不是针对磁盘中存放的静态文件。 当我们对动态文件进行读写操作后，此时内存中的动态文件和磁盘设备中的静态文件就不同步了，数据 的同步工作由内核完成，内核会在之后将内存这份动态文件更新（同步）到磁盘设备中。

进程控制块（PCB）：是一个结构体用于记录进程的状态信息、运行特征等。

文件描述符表、文件表及inode之间的关系：如下图所示：

PCB中有一个指针指向文件描述符表，该表中的每个元素对应一个文件表；文件表中存在inode指针指向inode用于读取文件数据。

3.4 perror函数

该函数用于查看详细的报错信息。比如当调用open函数打开某文件时，如果失败的话回返回-1，但是并不知道错误的详细原因；因此采用这个函数即可了解，其用法如下所示：

如果失败，会打印 “open error：加具体原因” 。

3.5 exit、_exit、_Exit函数

这三个函数都用于结束进程，类似于return；。调用_exit()函数会 清除其使用的内存空间，并销毁其在内核中的各种数据结构，关闭进程的所有文件描述符，并结束进程、将 控制权交给操作系统。_exit()和_Exit()两者等价。

exit()函数_exit()函数都是用来终止进程的，exit()是一个标准C库函数，而_exit()和_Exit()是系统调用。 执行exit()会执行一些清理工作，最后调用_exit()函数。一般用exit()。

用法如下：

3.6 空洞文件

比如说现在一个文件a大小是4K；然后我调用了lseek函数将读写位置偏印到文件头部6k个字节处写数据，那么此时0-4k处有数据，6k处之后有数据，但是4k-6k处没有数据。该区域就成为文件空洞区域，该文件也被称为空洞文件。

空洞文件逻辑大小和物理大小：ls命令查看到空洞文件的大小是8K，使用ls命令查看到的大小是文件的逻辑大小，自然是包括了 空洞部分大小和真实数据部分大小；当使用du命令查看空洞文件时，其大小显示为4K，du命令查看到的 大小是文件实际占用存储块的大小。

3.7 O_APPEND和O_TRUNC标志

O_APPEND标志是，调用open函数打开文件， 当每次使用write()函数对文件进行写操作时，都会自动把文件当前位置偏移量移动到文件末尾，从文件末 尾开始写入数据，也就是意味着每次写入数据都是从文件末尾开始。用法为fd=open("./src_file",O_APPEND);

O_TRUNC标志是：如果使用了这个标志，调用open函数打开文件的时候会将文件 原本的内容全部丢弃，文件大小变为0。

3.8 多次打开同一文件

一个进程内多次open打开同一个文件，那么会得到多个不同的文件描述符fd，同理在关闭文件的 时候也需要调用close依次关闭各个文件描述符。

一个进程内多次open打开同一个文件，在内存中并不会存在多份动态文件。此处动态文件指的是调用open函数时会将磁盘上的数据读到一个缓存区，这个区域的文件数据就叫动态文件。

同一个文件被多次打开，会得到多个不同的文件描述符，也就意味着会有多个不同的文件表，而文件读 写偏移量信息就记录在文件表数据结构中，所以从这里可以推测不同的文件描述符所对应的读写偏移量是 相互独立的，并没有关联在一起，并且文件表中i-node指针指向的都是同一个inode。

3.9 多次打开同一文件进行写操作

重复打开同一个文件，进行写操作，譬如一个进程中两次调用open函数打开同一个文件，分别得到两 个文件描述符fd1和fd2，使用这两个文件描述符对文件进行写入操作，那么它们是分别写（各从各的位置 偏移量开始写）还是接续写（一个写完，另一个接着后面写）？答案是分开写，因为不同的文件描述符对应偏移量是相互独立的。

如果想要重复打开同一个文件进行续写，需要在调用open函数时增加O_APPEND标志，这样就可以在文件的末尾进行续写。

3.10 dup和dup2函数

dup和dup2函数都是用于复制文件描述符（fd代表一个文件）。但不同得是dup函数有个缺陷，其文件描述符值仅通过系统分配，不能自行指定；但是dup2函数可以自行指定，如100，api用法为fd2=dup2(fd1,100)，而dup函数的api用法为：fd2=dup(fd1)。接下来详细分析：

dup函数是复制文件描述符，举例说明其作用：当你写入一个数据（如11223344）到fd1以后，调用fd2等于dup(fd1)，此时将文件描述符fd1复制到fd2，然后对fd2写入数据aabbccdd，最后读取fd1，发现得到的是11223344aabbccdd。通过上述例子表明通过复制文件描述符可以进行续写。

note：需要注意的是调用write函数和read函数，会导致文件读写位置的偏移。举例：读一个数据11223344；一次读两个字节，第一次读取的时候会读取1122，但是第二次读取是3344；而不是从头读起。

4. GPIO应用编程

Linux应用和驱动之所以说可以分成两个方向，就是因为再做应用时，根本不用关心底层的驱动实现细节。在linux下，一切皆文件。应用层去操控底层的硬件，同样也是通过文件I/O的方式，有设备文件/dev、sysfs文件/sys两种方式。有些设备只能通过设备节点进行操控，而有些设备只能通过sysfs方式进行操控；一般简单设备会使用sysfs 方式操控，如LED、GPIO等；比较复杂的设备会采用设备节点的方式，比如LCD、摄像头等。下边先介绍sysfs文件操控硬件方式。

4.1 sysfs文件

sysfs是一个虚拟文件系统，作用是将内核信息以文件的方式提供给应用层使用，可以把连接在系统上的设备和总线组织成一个分级的文件。其挂载在/sys目录下，进入目录查看，如下所示：

其中，block是块设备的参在目录；bus是设备总线类型分类放置的目录；class是设备按照功能分类放置的目录；dev是按设备号放置的目录；devices是系统中所有设备存放的目录；firmware是了内核中的固件；fs是用于描述系统中所有文件系统；kernel 这里是内核中所有可调参数的位置。 module这里有系统中所有模块的信息。power 这里是系统中电源选项，有一些属性可以用于控制整个系统的电源状态。

4.2 LED控制

了解了sysfs文件系统基本概念后，下边以LED为例，看一下sysfs如何控制LED亮灭的。首先进入/sys/class/leds/sys-led/目录，如下所示：

主要关注brightness、max_brightness以及 trigger 三个文件：brightness:代表亮度，该文件可读可写，用于设置亮度等级，0代表熄灭；为正整数代表亮，正整数越大，亮度越亮。max_brightness：该文件只读不可写，用于获取最大亮度等级；trigger：触发模式，可读可写，读表示获取当前LED触发模式，写用于设置什么方式触发，如none为无触发、timer为闪烁等。

用法如下：

int fd; fd = open("/sys/class/leds/sys-led/brightness",O_RDWR); /*回到文件起始位置*/ lseek(fd, 0, SEEK_SET); /*写1亮，写0灭*/ write(fd, "1", 1); write(fd, "0", 1);

4.3 GPIO控制

进入/sys/class/gpio目录，如下所示：

可以看到该目录下包含两个文件export、unexport以及5个gpiochipX（X等于0、32、64、96、128）命名的文件夹。gpiochipX：当前SoC所包含的GPIO控制器，分别为GPIO1、GPIO2、GPIO3、GPIO4、GPIO5，在这里分别对应gpiochip0、gpiochip32、 gpiochip64、gpiochip96、gpiochip128 这 5 个文件夹，每一个文件夹用来管理一组GPIO，如下所示：

主要看base、label、ngpio三个，仅读。base代表gpiochipX中的X，表示引脚最小编号，如gpiochip0的base为0；label代表名字；ngpio代表这组gpio的管脚数。

回到第一个图里边的export。这代表将指定的gpio引脚导出，在使用GPIO引脚之前，需要将其导出，导出成功之后才能使用。注意export文件是只写文件，不能读取。用法为在板子上输入：

# 导出编号为0的GPIO引脚，对于imx6ull，就是GPIO1_IO0 echo 0 > export # 导出GPIO1_IO3 echo 3 > export # 导出GPIO2_IO1,要注意编号 echo 33 > export

导出后就可以在在/sys/class/gpio 目录下生成了一个名为gpioX的文件夹（gpioX，X表示对应的编号）。如下图：

当用完GPIO引脚之后，还需要使用unexport删除导出的引脚，如echo 0 > unexport。

导出之后就可以进入gpio0这个文件夹，里边有几个属性文件帮助控制硬件，如下所示：

direction：配置GPIO引脚为输入或输出模式。该文件可读、可写，读表示查看GPIO当前是输入 还是输出模式，写表示将GPIO配置为输入或输出模式；读取或写入操作可取的值为"out"（输出模式）和"in"（输入模式）。

value：在GPIO配置为输出模式下，向value文件写入"0"控制GPIO引脚输出低电平，写入"1"则 控制GPIO引脚输出高电平。在输入模式下，读取value文件获取GPIO引脚当前的输入电平状态。

active_low：这个属性文件用于控制极性，可读可写，默认情况下为0。

edge：控制中断的触发模式，该文件可读可写。在配置GPIO引脚的中断触发模式之前，需将其设置为输入模式： 非中断引脚：echo "none" > edge 上升沿触发：echo "rising" > edge 下降沿触发：echo "falling" > edge 边沿触发：echo "both" > edge 当引脚被配置为中断后可以使用poll()函数监听引脚的电平状态变化。

下边介绍用法：

/*配置成输出模式，导出的是gpio0代表GPIO1_IO0*/ int fd = open("/sys/class/gpio/gpio0/direction",O_WRONLY); write(fd,"out",3); /*配置gpio输出低电平*/ int fd = open("/sys/class/gpio/gpio0/value",O_WRONLY); write(fd,"0",1); write(fd,"1",1);/*输出高电平*/

4.4 输入设备控制

Linux应用中通过input子系统管理如键盘、按键等输入设备。该系统实现了一套兼容所有输入设备的框架，能屏蔽硬件的差异，向应用层提供一套统一的接口。基于input子系统注册成功的输入设备，都会在/dev/input目录下生成对应的设备节点（设备文件），设 备节点名称通常为eventX（X表示一个数字编号0、1、2、3等），譬如/dev/input/event0、/dev/input/event1、 /dev/input/event2 等，通过读取这些设备节点可以获取输入设备上报的数据。

4.4.1 获取输入设备上述数据流程

以imx6ull上的按键KEY0为例，流程为：

1、应用程序打开/dev/input/event2设备文件； 2、应用程序发起读操作（譬如调用read），如果没有数据可读则会进入休眠（阻塞I/O情况下）； 3、当有数据可读时，应用程序会被唤醒，读操作获取到数据返回； 4、应用程序对读取到的数据进行解析。

当无数据可读时，程序会进入休眠状态（也就是阻塞）；有数据可读时，应用程序会被唤醒，成功读取到数据。下边来看上图的最后一步流程解析数据。

此外，如果不确定自己的按键是event几的话，可以运行下述命令进行查看：

4.4.2 应用程序解析数据

在应用程序发起读操作，会返回一个input_event类型的数据，如下图所示：

struct input_event { struct timeval time; /*记录上报时间*/ __u16 type; /*上报类型*/ __u16 code; /*事件类型中的具体事件码*/ __s32 value; /*上报数据*/ };

其中，type指的是述发生了哪一种类型的事件。比如按键类事件，type为EV_KEY(#define EV_KEY 0X01)；其他的都定义在<linux/input.h>头文件中，可以自行查看。因此在应用程序中需要包含此头文件。

code表示该类事件中的哪一个具体事件，如一个键盘上通常有很多按键，譬如字母A、B、C、D或者数字1、2、3、4等，而code变量则告知应用程序是哪一个按键发生了输入事件，比如KEY0按下时，code等于114.

value表示内核每次上报事件都会向应用层发送一个数据，对value值的解释随着code的变化而 变化。比如对于按键来说，value等于1，则表示KEY0键按下；value等于0表示KEY0键松开，如果value等于2，表示KEY0键长按。也可以在板子上输入以下命令进行测试：

cat /dev/input/event2 | hexdump

4.4.3 输入设备控制用法

以按键输入为例，如下图：

struct input_event ev;/*定义input_event结构体变量ev，用于存储按键事件*/ ssize_t bytes = read(trigger_fd_, &ev, sizeof(ev));/*从trigger_fd_读取按键事件，存储在ev中*/ if (bytes != sizeof(ev))/*判断读取的字节数是否等于ev的大小，不等于则返回*/ { return; } /* 仅处理 EV_KEY 类型且为目标按键的事件 */ if (ev.type != EV_KEY || ev.code != config_.trigger_key_code) { return; } /* value=1：按键按下 */ if (ev.value == 1) { /*业务逻辑*/ } /* value=2：长按重复事件 */ else if (ev.value == 2 ) { /*业务逻辑*/ } /* value=0：按键松开，重置所有按键状态标志 */ else if (ev.value == 0) { /*业务逻辑*/ }