文件系统从用户态到硬件层面的完整调用链路涉及多个层次的操作，包括用户态、内核态、文件系统层、块设备层以及最终的硬件层。以下是详细的解释：

1. 用户态

用户态是应用程序运行的地方。应用程序通过系统调用与内核进行交互。

1.1 应用程序调用

用户态的应用程序调用标准库函数来执行文件操作。例如：

FILE *file = fopen("example.txt", "r");

1.2 标准库函数

标准库函数（如 fopen、read、write）最终会调用相应的系统调用。例如：

int fd = open("example.txt", O_RDONLY);

2. 系统调用接口

系统调用接口是用户态和内核态之间的桥梁。

2.1 系统调用

系统调用（如 open、read、write）通过软中断或陷阱指令（如 int 0x80 或 syscall 指令）进入内核态。例如：

sys_open(const char __user *filename, int flags, umode_t mode);

3. 内核态

内核态处理系统调用，涉及文件系统层和块设备层。

3.1 VFS (Virtual File System)

VFS 是一个抽象层，提供统一的文件系统接口。系统调用首先到达 VFS 层：

• sys_open -> do_sys_open -> do_filp_open -> vfs_open

3.2 文件系统特定操作

VFS 将调用具体文件系统的操作。例如，对于 ext4 文件系统：

• vfs_open -> ext4_file_operations.open

3.3 文件系统元数据操作

文件系统操作可能涉及元数据的读取或写入。例如，读取 inode 信息：

• ext4_file_operations.open -> ext4_lookup -> ext4_iget

4. 块设备层

文件系统操作可能需要访问块设备，这涉及到块设备层。

4.1 通用块层

内核中的通用块层负责将文件系统请求转换为块设备请求：

• ext4_readpage -> submit_bio -> generic_make_request

4.2 I/O 调度层

块设备请求进入 I/O 调度层，进行排序和优化：

• generic_make_request -> elevator (I/O 调度器)

4.3 块设备驱动

I/O 调度器将请求发送到具体的块设备驱动：

• elevator -> block_device_operations.submit_bio

5. 硬件层

块设备驱动将请求发送到硬件层。

5.1 控制器驱动

块设备驱动与硬件控制器（如 SATA、NVMe 控制器）交互：

• block_device_operations.submit_bio -> SATA/NVMe driver

5.2 硬件控制器

硬件控制器将请求发送到物理存储设备（如 HDD、SSD）：

• SATA/NVMe driver -> HDD/SSD

6. 硬件执行

最终，存储设备执行读写操作，将数据传输到内存或从内存读取数据。

调用链路总结

1、用户态:

• 应用程序调用标准库函数 (fopen、read、write)
• 标准库函数调用系统调用 (open、read、write)

2、系统调用接口:

• 系统调用进入内核态 (sys_open、sys_read、sys_write)

3、内核态:

• VFS 层处理系统调用 (vfs_open、vfs_read)
• 文件系统特定操作 (ext4_file_operations.open)
• 文件系统元数据操作 (ext4_lookup、ext4_iget)

4、块设备层:

• 通用块层处理请求 (submit_bio、generic_make_request)
• I/O 调度层优化请求 (elevator)
• 块设备驱动处理请求 (block_device_operations.submit_bio)

5、硬件层:

• 控制器驱动与硬件控制器交互 (SATA/NVMe driver)
• 硬件控制器与存储设备交互 (HDD/SSD)

6、硬件执行:

• 存储设备执行读写操作

这个过程涉及多个复杂的步骤和层次，每一层次都有其特定的功能和操作，确保文件系统操作的正确性和效率。