对于Linux初学者及嵌入式开发者而言，文件系统是掌握Linux系统运行机制的核心基石——它不仅承担着文件与目录的组织管理功能，更是系统与硬件设备实现交互的关键桥梁。与Windows系统的盘符式管理逻辑不同，Linux采用单一根目录（/）的树状层级结构，系统中所有设备、配置文件、可执行程序，均以文件形式挂载在这棵“目录树”上。今天，我们将结合Linux文件系统的核心知识点，逐一拆解根目录下各核心目录的功能、文件系统与设备驱动的底层关联，以及驱动开发中不可或缺的关键结构体，助力大家快速吃透Linux文件系统的核心逻辑。
一、Linux根目录下的12个核心目录，各有分工不混乱
登录Linux系统后，输入“ls -l /”命令即可查看根目录下的所有内容，其中12个核心目录各司其职、分工明确，熟记这些目录的用途，能大幅提升我们日常操作、系统调试及问题排查的效率。
1. /bin：基础命令的“聚集地”
该目录存放着Linux系统最基础、最常用的可执行命令，涵盖我们日常操作中高频使用的ls（查看目录内容）、cp（复制文件/目录）、mkdir（创建目录）、rm（删除文件/目录）等。无论当前登录用户是普通用户还是管理员，均可直接调用这些命令，它们构成了系统正常运行所需的“最小命令集合”，缺一不可。
2. /sbin：系统管理的“专属工具”
与/bin目录功能类似，但该目录下的命令主要用于系统底层管理与维护，例如modprobe（加载/卸载内核模块）、hwclock（设置/查看系统硬件时钟）、ifconfig（配置网络接口）、reboot（重启系统）等。这类命令大多需要root管理员权限才能执行，是系统管理员维护系统稳定性、排查底层故障的核心工具。
3. /dev：设备文件的“映射中心”
这是Linux文件系统最具特色的目录之一，完美体现了Linux“一切皆文件”的设计理念——系统中所有硬件设备（键盘、鼠标、磁盘、串口、显卡等），都会在该目录下生成对应的设备文件。应用程序无需直接操作硬件底层，只需通过读写这些设备文件，即可间接实现对硬件设备的控制。例如，串口设备对应/dev/ttyS1，磁盘分区对应/dev/sdb1，鼠标设备对应/dev/mouse0。
4. /etc：系统配置的“总开关”
该目录是Linux系统的“配置中枢”，集中存放了系统所有的配置文件，小到用户账号密码（/etc/passwd）、用户组信息（/etc/group）、系统环境变量，大到服务器配置、busybox启动脚本、网络配置（/etc/sysconfig/network-scripts）等，均可在该目录下找到对应的配置文件。需特别注意：修改该目录下的文件时务必谨慎，错误的配置可能导致系统无法正常启动或运行异常。
5. /lib：系统运行的“依赖库”
该目录存放着系统本身及各类应用程序运行所需的共享库文件，相当于Windows系统中的.dll动态链接库文件。这些共享库是命令、应用程序运行的核心依赖，一旦缺失某个库文件，对应的命令或程序将无法正常执行，通常会提示“找不到某某库文件”的错误。
6. /mnt：挂载设备的“临时中转站”
该目录专门用于挂载外部存储设备（如U盘、光盘、移动硬盘、网络存储等），默认情况下可能为空目录。我们可以手动在该目录下创建挂载点（例如创建/mnt/cdrom用于挂载光盘，创建/mnt/usb用于挂载U盘），也可以通过配置/etc/fstab文件，实现系统开机后自动将外部存储设备挂载到指定的/mnt子目录下，无需手动执行挂载命令。
7. /opt：可选软件的“安装目录”
“opt”是“optional”（可选）的缩写，该目录主要用于安装第三方软件或非系统自带的软件包。例如，我们手动编译安装的开发工具（如Qt、VS Code）、第三方插件、自定义软件等，将其安装到该目录下，既能避免与系统自带程序发生冲突，也便于后续对软件进行管理、升级和卸载。
8. /proc：系统运行状态的“实时监控台”
这是一个特殊的伪文件系统——它不占用任何磁盘存储空间，所有内容均存储在系统内存中，用于实时映射系统的运行状态，包括CPU信息、内存使用情况、进程列表、内核参数、网络状态等。我们可以通过简单的cat命令查看相关信息，例如cat /proc/cpuinfo查看CPU详细参数，cat /proc/meminfo查看内存使用情况，是系统调试、性能排查的常用工具。
9. /tmp：临时文件的“垃圾桶”
该目录用于存放用户运行程序时生成的临时文件、系统运行过程中产生的临时数据，所有用户均可在该目录下创建和删除临时文件。系统会定期自动清理该目录下的内容（通常为重启后或定时清理），因此切勿在该目录下存放重要文件，以免丢失。
10. /usr：用户程序的“大仓库”
这是Linux系统中容量最大、内容最丰富的目录之一，主要存放用户常用的应用程序、共享库、帮助文档、头文件等。该目录下包含多个常用子目录，例如/usr/bin（用户常用命令）、/usr/lib（用户应用程序依赖库）、/usr/share/man（命令帮助文档）、/usr/include（开发所需头文件）等，相当于Windows系统中的“Program Files”目录。
11. /var：动态变化的“数据容器”
“var”是“variable”（变化）的缩写，该目录的核心特点是内容会随着系统运行不断动态变化。系统日志（/var/log）、邮件数据（/var/spool/mail）、数据库文件、网站静态资源、打印队列等，均存放在该目录下。其中，/var/log目录是排查系统故障的核心位置，系统运行过程中的大部分错误信息、警告信息、操作日志，都会记录在该目录下的日志文件中（如/var/log/messages）。
12. /sys：设备驱动模型的“映射表”
该目录是Linux 2.6内核之后新增的目录，用于映射sysfs文件系统，而sysfs是Linux内核中用于暴露设备驱动模型的虚拟文件系统。系统中的总线、驱动程序、硬件设备，都会在该目录下生成对应的节点，当内核检测到新的硬件设备时，会自动在该目录下添加对应的设备节点。对于设备驱动开发者而言，该目录是查看设备状态、调试驱动程序、获取设备信息的重要工具。
二、Linux文件系统与设备驱动的关联：如何通过文件操作硬件？
很多初学者都会有这样的疑问：“文件系统是管理文件的，设备驱动是控制硬件的，两者看似无关，实则存在紧密的底层关联”。事实上，Linux文件系统是连接应用程序与设备驱动的“中间桥梁”，而这一关联的核心，正是虚拟文件系统（VFS）的抽象化设计，实现了应用程序对文件和硬件的统一操作接口。
应用程序层面：应用程序不会直接操作硬件底层，也不会直接对接具体的文件系统（如ext4、xfs、proc等），而是通过统一的系统调用（如open打开文件/设备、read读取数据、write写入数据、close关闭文件/设备）与VFS进行交互；
VFS抽象层层面：VFS是Linux文件系统的“核心抽象层”，它屏蔽了不同文件系统（磁盘文件系统、伪文件系统）和不同硬件设备的底层差异，统一了所有文件和设备文件的操作接口。这意味着，无论底层是ext4文件系统的普通文件，还是/dev目录下的串口设备文件，应用程序的调用方式完全一致；
驱动与文件系统层面：VFS与具体文件系统、设备文件之间的交互接口，是file_operations结构体。该结构体封装了对文件/设备的所有操作函数（如open、read、write、ioctl等），设备驱动开发者只需实现该结构体中的相关操作函数，并将其注册到内核，即可被VFS识别，进而被应用程序通过系统调用间接调用。
简单来说，整个交互流程可总结为：应用程序调用系统调用 → VFS接收请求并转发 → file_operations结构体调用对应的驱动函数 → 驱动程序操作硬件底层。这也正是Linux“一切皆文件”设计理念的底层逻辑——将硬件设备抽象为设备文件，通过统一的文件操作接口，实现对硬件的间接控制，降低了应用程序与驱动开发的复杂度。
三、驱动开发必懂：file与inode结构体
在Linux设备驱动开发中，有两个核心结构体是绕不开的——file结构体和inode结构体。这两个结构体是理解应用程序、VFS与设备驱动交互的关键，也是驱动代码中最常用、最核心的数据结构，掌握它们的核心字段，是编写稳定设备驱动的基础。
1. file结构体：代表“被打开的文件/设备”
file结构体的核心作用，是描述一个被打开的文件或设备文件。需要注意的是，它描述的不是磁盘上的静态文件本身，而是文件被打开后的“运行时状态”。系统每次打开一个文件（包括普通文件、设备文件），内核都会自动创建一个file结构体，用于记录该文件的打开模式、当前读写位置、私有数据等信息，并将其传递给所有对该文件进行操作的函数；当文件被所有进程关闭后，内核会自动释放该file结构体，回收相关资源。
驱动开发中，我们无需关注file结构体的所有字段，重点掌握以下3个核心字段即可：
① f_mode：用于标识文件/设备的读写模式，例如只读（FMODE_READ）、只写（FMODE_WRITE）、可读可写（FMODE_READ | FMODE_WRITE），驱动程序可通过该字段判断应用程序的操作权限；
② f_flags：用于标识文件/设备的打开标志，驱动开发中最常用的场景，是判断应用程序是否以阻塞或非阻塞模式打开设备，示例代码如下：
if (file->f_flags & O_NONBLOCK) /* 非阻塞方式打开 */ pr_debug("open: non-blocking\n");else/* 阻塞方式打开 */ pr_debug("open: blocking\n");
③ private_data：私有数据指针，这是驱动开发中最常用、最灵活的字段。我们可以将自定义的设备描述结构体（如包含设备寄存器地址、GPIO信息、互斥锁等）指针，赋值给该字段，从而实现驱动程序中不同操作函数（如open、read、write）之间的数据共享，大幅简化代码逻辑，提升驱动的可维护性。
2. inode结构体：代表“文件/设备的静态属性”
inode结构体用于描述文件/设备文件的静态属性，这些属性在文件创建后基本保持不变（除非主动修改），包括文件的访问权限、文件属主、文件大小、创建时间、修改时间、存储位置等。inode结构体是Linux管理文件系统的最基本单位，也是连接目录项与文件本身的核心桥梁——目录项（dentry）记录的是文件名与inode的映射关系，而inode记录的是文件的实际属性和存储信息。
对于设备驱动开发而言，inode结构体最核心的字段是i_rdev，该字段用于存储设备编号，而设备编号是实现驱动程序与具体硬件设备关联的关键。Linux系统中的设备编号分为两部分，共同唯一标识一个设备：
① 主设备号（高12位）：用于区分不同类型的设备，同一类设备通常共用一个主设备号（例如，所有串口设备的主设备号通常为4，所有块设备的主设备号有固定分配规则）；
② 次设备号（低20位）：用于区分同一类设备中的不同个体，例如/dev/ttyS0（次设备号64）和/dev/ttyS1（次设备号65），两者共用主设备号4，通过不同的次设备号，实现对不同串口设备的区分和控制。
驱动开发中，我们无需手动解析i_rdev字段，内核提供了两个封装好的函数，可直接从inode结构体中获取主设备号和次设备号，示例代码如下：
unsignedintiminor(struct inode *inode); // 获取次设备号unsignedintimajor(struct inode *inode); // 获取主设备号
此外，在日常调试和开发中，我们也可以通过以下两种常用方法，查看系统中已注册设备的设备编号：
查看/proc/devices文件：该文件记录了系统中所有已注册设备的主设备号和设备名称，第一列为设备的主设备号，第二列为对应的设备名，通过该文件可快速了解系统中已注册的设备类型；
查看/dev目录下的设备文件：通过ls -l /dev命令查看设备文件详情，文件权限信息后的两列数字，分别对应该设备文件的主设备号和次设备号（例如，crw-rw---- 1 root uucp 4, 64 /dev/ttyS0，其中4为主设备号，64为次设备号）。
四、总结：Linux文件系统的核心精髓
Linux文件系统的核心精髓，在于“单一根目录树”和“一切皆文件”的两大设计理念——通过单一根目录树，将系统中所有资源（文件、设备、配置）进行统一组织和管理，简化了系统的层级结构；通过“一切皆文件”的抽象化设计，将硬件设备映射为设备文件，借助VFS实现了应用程序对文件和硬件的统一操作接口，降低了开发和使用成本。
对于Linux初学者而言，熟记根目录下12个核心目录的用途，是入门Linux系统、提升操作效率的基础；对于嵌入式设备驱动开发者而言，深刻理解VFS与设备驱动的底层关联，熟练掌握file、inode两个核心结构体的核心字段及使用方法，是编写稳定、高效设备驱动程序的关键。后续我们还会结合具体的驱动开发案例，拆解设备驱动的完整编写流程，带你深入玩转Linux文件系统与设备驱动，助力大家夯实底层基础、提升开发能力。
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