嵌入式Linux驱动开发简介_linux 嵌入式驱动开发-优快云博客

1. Linux设备驱动

1.1 驱动程序

设备驱动程序(DeviceDriver)，简称驱动程序(Driver)。它是一个允许计算机软件 (ComputerSoftware)与硬件(Hardware)交互的程序。这种程序建立了一个硬件与硬件，或硬件与软件沟通的界面。CPU经由主板上的总线(Bus)或其他沟通子系统(Subsystem) 与硬件形成连接，这样的连接使得硬件设备(Device)之间的数据交换成为可能。

依据不同的计算机架构与操作系统差异平台，驱动程序可以是8位(8b)、16位(16b)、 32位(32b)，64位(64b)，这是为了调和操作系统与驱动程序之间的依存关系。例如在Windows3.11的16位操作系统时代，大部分的驱动程序都是16位；到了 32位的WindowsXP，则大部分是使用32位驱动程序；至于64位的Linux或是Windows Vista平台上，就必须使用64位驱动程序。

1.2 驱动设备

计算机系统的主要硬件由CPU、存储器和外部设备组成。驱动程序的对象一般是存储器和外部设备。随着芯片制造工艺的提高，为了节约成本，通常将很多原属于外部设备的控制器嵌入到CPU内部。所以现在的驱动程序应该支持CPU中的嵌入控制器。Linux将这些设备分为3大类，分别是字符设备、块设备、网络设备。

1.2.1 字符设备

字符设备是指那些能一个字节一个字节读取数据的设备，如LED灯、键盘、鼠标等。字符设备一般需要在驱动层实现open()、 cloge0 、read()、write()、ioctl()等函数。这些函数最终将被文件系统中的相关函数调用。内核为字符设备对应一个文件，如字符设备文件/dev/cosole 。对字符设备的操作可以通过字符设备文件 |dev/cosole 来进行。这些字符设备文件与普通文件没有太大的差别，差别之处是字符设备一般不支持寻址，但特殊情况下，有很多字符设备也是支持寻址的。

1.2.2 块设备

块设备与字符设备类似，一般是像磁盘一样的设备。在块设备中还可以容纳文件系统，并存贮大量的信息。在Linux系统中，进行块设备读写时，每次只能传输一个或者多个块。Linux可以让应用程序像访问字符设备一样访问块设备，一次只读取一个字节。所以块设备从本质上更像一个字符设备的扩展，块设备能完成更多的工作，例如传输一块数据。

1.2.3 网络设备

计算机连接到互联网上需要一个网络设备，网络设备主要负责主机之间的数据交换。与字符设备和块设备完全不同，网络设备主要是面向数据包的接收和发送而设计的。网络设备在Linux操作系统中是一种非常特殊的设备，其没有实现类似块设备和字符设备的read()、write()、ioctl()等函数。网络设备实现了一种套接字接口，任何网络数据传输都可以通过套接字来完成。

类型	特点	访问方式	典型例子
字符设备	以字节流为单位进行顺序访问。	通过设备文件（如 `/dev/ttyS0`），使用 `open`, `read`, `write`, `close` 等系统调用。	键盘、鼠标、串口、打印机、大部分简单设备。
块设备	以数据块为单位进行随机访问。	也通过设备文件（如 `/dev/sda1`），但内核有专门的I/O调度层来优化读写。	硬盘、SSD、U盘、SD卡。
网络设备	面向数据包。	没有设备文件节点，通过套接字接口进行访问。	网卡、蓝牙适配器。

2. Linux操作系统与驱动的关系

简单来说：内核是管理者，驱动是执行者。

Linux内核：像一个政府的核心内阁。它制定法律和标准（接口和规则），负责管理国家核心资源（CPU、内存、进程），并设立各个部门（子系统）来管理不同事务。
设备驱动：像各个政府部门的执行机构（例如，交通部下属的交警支队、铁路局）。它们专门负责与特定的对象（硬件设备）打交道，执行内阁制定的标准，并向内阁汇报。

用户空间包括应用程序和系统调用两层。应用程序一般依赖于函数库，而函数库是由系统调用来编写的，所以应用程序间接地依赖于系统调用。

系统调用层是内核空间和用户空间的接口层。通过这个系统调用层，应用程序不需要直接访问内核空间的程序，增加了内核的安全性。同时，应用程序也不能访问硬件设备，只能通过系统调用层来访问硬件设备。如果应用程序需要访问硬件设备，那么应用程序先访问系统调用层，由系统调用层去访问内核层的设备驱动程序。这样的设计，保证了各个模块的功能独立性，也保证了系统的安全。

系统调用层依赖内核空间的各个模块来实现。在Linux内核中，包含很多实现具体功能的模块。这些模块包括文件系统、网络协议栈、设备驱动、内核调度、内存管理、进程管理等，都属于系统内核空间。

最底层是硬件层，这一层是实际硬件设备的抽象。设备驱动程序的功能就是驱动这一层硬件。设备驱动程序可以工作在有操作系统的情况下，也可以工作在没有操作系统的情况下。如果只需要实现一些简单的控制设备的操作，那么可以不使用操作系统。如果嵌入式系统完成的功能比较复杂，则往往需要操作系统来帮忙。大多数操作系统都具有多任务的特性，所以对于设备驱动程序来说，应该充分考虑并发、阻塞等问题。

举一个例子，一个完整的I/O请求（如write）如何穿越应用程序、内核、驱动最终到达硬件：

3. Lnux驱动程序开发

3.1 用户态和内核态

Linux操作系统分为用户态和内核态。

用户态：处理上层的软件工作。
内核态：用来管理用户态的程序，完成用户态请求的工作。

Linux操作系统分为两个状态的原因主要是，为应用程序提供一个统一的计算机硬件抽象。工作在用户态的应用程序完全可以不考虑底层的硬件操作，这些操作由内核态程序来完成。这些内核态程序大部分是设备驱动程序。一个好的操作系统的驱动程序对用户态应用程序应该是透明的，也就是说，应用程序可以在不了解硬件工作原理的情况下，很好地操作硬件设备，同时不会使硬件设备进入非法状态。Linux操作系统很好的做到了这一点。

特性	用户态 (User Mode)	内核态 (Kernel Mode)
CPU特权级	低（如x86的Ring 3）	高（如x86的Ring 0）
内存访问	只能访问属于自己的虚拟内存空间	可以访问整个系统的所有物理内存
指令执行	只能执行非特权指令	可以执行所有指令，包括特权指令（如操作硬件寄存器）
崩溃影响	只导致自身进程崩溃	导致整个系统崩溃（内核恐慌）

3.2 模块机制

模块是可以在运行时加入内核的代码，这是Linux一个很好的特性。这个特性使内核可以很容易地扩大或者缩小，一方面扩大内核可以增加内核的功能，另一方面缩小内核可以减小内核的大小。

Linux内核支持很多种模块，驱动程序就是其中最重要的一种，甚至文件系统也可以写成一个模块，然后加入内核中。每一个模块由编译好的目标代码组成，可以使用insmod命令将模块加入正在运行的内核，也可以使用rmmod命令将一个未使用的模块从内核中删除。试图删除一个正在使用的模块，将是不允许的。

模块在内核启动时装载称为静态装载，在内核已经运行时装载称为动态装载。模块可以扩充内核所期望的任何功能，但通常用于实现设备驱动程序。一个模块的最基本框架代码如下：

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module. h>
#include <linux/init.h>

int _init xxx_init(void)
{
    /*模块加载时的初始化工作*/
    return 0;
}

void _exit xxx_exit (void)
{
    /*模块卸载时的销毁工作*/
}

module _init (xxx_init);/*指定模块的初始化函数的宏*/
module _exit (xxx_exit);/*指定模块的卸载函数的宏*/