嵌入式Linux驱动开发的基本知识(驱动程序的本质、常见的设备类型、设备号的本质理解、设备文件、类属性文件、驱动程序的设备实例的注册过程、如何加载驱动程序模块、设备实例的调用流程)

01-1-基本概念之什么是驱动程序()？

驱动程序本质上是代码逻辑的集合，通常用于管理、驱动多个设备实例。要想使用某个设备的驱动程序，需要实例化相应的驱动程序，具体实例化的过程请看本文第05点。
这里重点要理解驱动程序只是代码逻辑的集合，它本身并没有主设备号、次设备号，也没有设备文件，主设备号、次设备号、设备文件都是在实例化驱动程序过程中产生的。

01-2-驱动程序运行于Linux的内核空间,而不是用户空间中

驱动程序运行于Linux的内核空间，而不是用户空间中，用户程序是不能直接访问或修改内核中的数据，需要用专门的方式或函数进行数据交换。
关于这个标题的详解见 https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/144950319

02-Linux系统中常见的设备类型有哪些？

在 Linux 系统中，设备可以分为不同的类型，主要根据它们的工作方式、接口和功能进行分类。以下是 Linux 系统中常见的设备类型：

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1. 字符设备 (Character Devices)

字符设备是按字符流方式进行数据传输的设备，每次读写都涉及一个字符或字节的数据。例如：

• 终端设备 (tty): 用于与用户交互的设备，如串口终端、虚拟终端。
• 串口设备 (ttyS): 串口通信设备，如 /dev/ttyS0。
• 键盘 (kbd): 连接的键盘设备。
• 鼠标 (mouse): 连接的鼠标设备。
• 伪设备：例如 /dev/null、/dev/random、/dev/zero 等，这些设备没有硬件实现，提供特殊的功能。

特点：

• 按字符流进行读写，每次读写一个字符（或字节）。
• 通过字符设备文件（如 /dev/ttyS0）与应用程序交互。

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2. 块设备 (Block Devices)

块设备是按块（通常是 512 字节或更大的单位）进行数据传输的设备。它们支持随机访问和缓存功能。例如：

• 硬盘 (/dev/sda, /dev/sdb 等): 计算机的主要存储设备。
• 固态硬盘 (SSD) (/dev/sda1, /dev/nvme0n1): 新型存储设备，提供更高的读写速度。
• 光盘驱动器 (/dev/cdrom): 用于读取光盘数据的设备。
• USB 存储设备 (/dev/sdb1, /dev/sdc): 连接到系统的 USB 存储设备。
• 虚拟磁盘 (/dev/loop0): 用于挂载虚拟磁盘映像的设备。

特点：

• 支持随机读写访问，通常用于文件系统的挂载。
• 设备文件通常位于 /dev/ 目录下。

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3. 网络设备 (Network Devices)

网络设备是用于网络通信的设备。它们支持网络接口的连接和数据传输。例如：

• 以太网卡 (eth0, eth1): 网络接口，用于连接有线网络。
• 无线网卡 (wlan0, wlan1): 用于连接无线网络。
• 虚拟网络设备 (lo): 回环接口，用于与本机进行网络通信。

特点：

• 用于实现计算机与外部网络的通信。
• 可以是有线或无线设备，支持 TCP/IP 等协议。

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4. 输入设备 (Input Devices)

输入设备是用于将用户输入传递给计算机的设备。它们通常使用字符设备接口。例如：

• 鼠标 (/dev/input/mice): 用于提供用户的指针控制输入。
• 键盘 (/dev/input/event0): 用于接收用户的键盘输入。
• 触摸屏 (/dev/input/eventX): 用于接收触摸操作。

特点：

• 输入设备通常通过 /dev/input/ 目录进行管理，使用字符设备接口。
• 输入事件通过设备文件传递给应用程序。

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5. 虚拟设备 (Virtual Devices)

虚拟设备并不对应于物理硬件设备，而是通过软件实现的设备。例如：

• 虚拟终端 (/dev/tty0, /dev/tty1): 提供与系统交互的虚拟控制台。
• 内存设备 (/dev/mem): 用于访问物理内存的虚拟设备。
• 随机数设备 (/dev/random, /dev/urandom): 用于生成随机数的设备。

特点：

• 不依赖于硬件，而是由内核或驱动程序模拟。
• 提供系统管理或特殊功能。

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6. 特殊设备 (Special Devices)

这些设备通常与硬件密切相关，但它们的作用和用法比较特殊。例如：

• 时钟设备 (/dev/rtc): 实时钟设备，用于管理系统时间。
• 伪设备 (/dev/null, /dev/zero): 不涉及实际硬件，而是提供特殊功能，通常用于丢弃或生成数据。

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7. USB 设备 (USB Devices)

USB 设备通过 USB 总线连接到计算机，涵盖了各种设备类型。例如：

• USB 存储设备 (/dev/sda1, /dev/sdb1): 连接的 USB 存储。
• USB 摄像头 (/dev/video0): 通过 USB 接口连接的摄像头。
• USB 键盘和鼠标 (/dev/input/eventX): 连接的 USB 键盘和鼠标。

特点：

• 支持即插即用（plug-and-play），可以动态连接和断开。

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8. 串口设备 (Serial Devices)

串口设备通过串行接口进行通信，通常用于较为传统的设备。例如：

• 串口终端 (/dev/ttyS0, /dev/ttyS1): 传统的串口设备。
• 调制解调器 (/dev/ttyUSB0): 通过串口连接的调制解调器。

特点：

• 通过串行接口传输数据，通常用于低速数据通信。

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9. SCSI 设备 (SCSI Devices)

SCSI 是一种广泛用于硬盘、光驱等设备的标准接口。例如：

• SCSI 硬盘 (/dev/sda, /dev/sdb): SCSI 接口的硬盘设备。
• SCSI 光驱 (/dev/sr0): SCSI 接口的光驱设备。

特点：

• 高性能和扩展性，常用于服务器或工作站中。
• 支持多个设备共享同一总线。

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10. PCI 设备 (PCI Devices)

PCI 总线上的设备用于高性能数据交换。例如：

• 显卡 (/dev/video0): 通过 PCI 接口连接的显卡设备。
• 网卡 (/dev/eth0): 通过 PCI 接口连接的网卡设备。
• 音频设备 (/dev/snd/pcmC0D0p): 通过 PCI 接口连接的音频设备。

特点：

• 高速数据传输，支持多种设备接口。
• 通过 PCI 总线连接多个设备。

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11. I2C 和 SPI 设备 (I2C/SPI Devices)

I2C 和 SPI 是常用于嵌入式设备的通信协议，用于连接传感器、显示器等设备。例如：

• I2C 设备：通过 I2C 总线连接的设备，通常位于 /dev/i2c-X。
• SPI 设备：通过 SPI 总线连接的设备，通常位于 /dev/spidevX.Y。

特点：

• 用于短距离、高速的设备间通信。
• 主要用于嵌入式系统中的外围设备。

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小结

在 Linux 系统中，设备类型非常丰富，主要包括字符设备、块设备、网络设备、输入设备、虚拟设备、USB 设备、串口设备等。每种设备都有不同的特点和用途，Linux 系统通过设备文件（通常位于 /dev/ 目录下）来对这些设备进行管理和访问。

03-1-什么叫主设备号、次设备号？

主设备号、次设备号是Linux系统管理设备的一种结构，通常如果有多个设备，其驱动程序如果一样，那我们为其分配相同的主设备号，内核通过主设备号找到负责处理该设备的驱动程序，也就是说驱动程序和主设备号是绑定的【也可简单粗暴地理解为主设备号是针对驱动程序而言的，看到主设备号，应该想到的是驱动程序，而不是具体的哪个设备，次设备号才对应于具体的设备】，但它们的次设备号不同，通过不同的次设备号来区别它们。
当然如果设备类型相同，驱动程序也相同，你也可以为它们分配不同的主设备号，不过不建议这样做，这不符号Linux的基本设计原则。
不过也有特例，比如不同类型的设备有时会使用相同的驱动程序，但此时我们也会为它们分配不同的主设备号，以便在系统中区分。例如：块设备和字符设备通常使用不同的主设备号，即使它们底层可能由同一个驱动程序管理。

03-2-使用宏MKDEV将主设备号和次设备号合成一个数值

在 Linux 设备驱动编程中，MKDEV(SPIDEV_MAJOR, minor) 宏用于生成一个含主设备号和次设备号信息的 完整设备号（dev_t 类型），用于标识字符设备或块设备。

示例代码：

dev_t dev = MKDEV(SPIDEV_MAJOR, minor);

• SPIDEV_MAJOR：主设备号，代表设备的类别，例如所有 SPI 设备共用一个主设备号。
• minor：次设备号，区分同一主设备号下的不同设备实例。

MKDEV 宏的定义通常如下：

#define MKDEV(major, minor) (((major) << 20) | (minor))

在 Linux 内核中：

• 主设备号占据 高 12-20 位。
• 次设备号占据 低 12-20 位。

04-设备文件、类属性文件有什么用？

请再次理解“在Linux系统中一切皆文件”这句话，驱动程序写好后，编译成模块文件(ko文件)，然后加载进内核，加载完成后就在系统的相应目录中生成了设备文件和类属性文件。

设备文件中存储了设备的主设备号和次设备号，通过主设备号能找到这个设备文件的驱动程序，而驱动程序通过次设备号能区分具体是要操作哪个设备。

类属性文件中用于对某一类设备进行统一管理和操作，它里面存储的信息比较丰富，主要是某一类设备的统一读函数(show函数)和写函数(store函数)，关于类属性文件的解释和具体例子，请参考博文 https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/144901797