linux驱动入门须知

时间 2021-07-13

　（1）Linux应用软件工程师（Application Software Engineer）：

主要利用C库函数和Linux API进行应用软件的编写；

从事这方面的开发工作，主要需要学习:符合linux posix标准的API函数及系统调用，linux的多任务编程技巧：多进程、多线程、进程间通信、多任务之间的同步互斥等，嵌入式数据库的学习，UI编程：QT、miniGUI等。

（2）Linux固件工程师（Firmware Engineer）：

主要进行Bootloader、Linux的移植及Linux设备驱动程序的设计工作。

一般而言，固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次，而其中的Linux设备驱动编程又是Linux程序设计中比较复杂的部分，究其原因，主要包括如下几个方面：

1)设备驱动属于Linux内核的部分，编写Linux设备驱动需要有一定的Linux操作系统内核基础；需要了解部分linux内核的工作机制与系统组成

2）编写Linux设备驱动需要对硬件的原理有相当的了解，大多数情况下我们是针对一个特定的嵌入式硬件平台编写驱动的，例如：针对特定的主机平台：可能是三星的2410、2440，也可能是atmel的，或者飞思卡尔的等等

3)Linux设备驱动中广泛涉及到多进程并发的同步、互斥等控制，容易出现bug；因为linux本身是一个多任务的工作环境，不可避免的会出现在同一时刻对同一设备发生并发操作

4)由于属于内核的一部分，Linux设备驱动的调试也相当复杂。linux设备驱动没有一个很好的IDE环境进行单步、变量查看等调试辅助工具；linux驱动跟linux内核工作在同一层次，一旦发生问题，很容易造成内核的整体崩溃。

本系列文章我们将一步步、深入浅出的介绍linux设备驱动编程中设计的一些问题及学习方法，希望对大家学习linux设备驱动有所帮助。

在任何一个计算机系统中，大至服务器、PC机、小至手机、mp3/mp4播放器，无论是复杂的大型服务器系统还是一个简单的流水灯单片机系统，都离不开驱动程序的身影，没有硬件的软件是空中楼阁，没有软件的硬件只是一堆废铁，硬件是底层的基础，是所有软件得以运行的平台，代码最终会落实到硬件上的逻辑组合。

但是硬件与软件之间存在一个驳论：为了快速、优质的完成软件功能设计，应用程序工程师不想也不愿关心硬件，而硬件工程师也很难有功夫去处理软件开发中的一些应用。例如软件工程师在调用printf的时候，不许也不用关心信息到底是通过什么样的处理，走过哪些通路显示在该显示的地方，硬件工程师在写完了一个4*4键盘驱动后，无需也不必管应用程序在获得键值后做哪些处理及操作。

也就是说软件工程师需要看到一个没有硬件的纯软件世界，硬件必须透明的提供给他，谁来实现这一任务？答案是驱动程序，驱动程序从字面解释就是：“驱使硬件设备行动”。驱动程序直接与硬件打交道，按照硬件设备的具体形式，驱动设备的寄存器，完成设备的轮询、中断处理、DMA通信，最终让通信设备可以收发数据，让显示设备能够显示文字和画面，让音频设备可以完成声音的存储和播放。

可见，设备驱动程序充当了硬件和软件之间的枢纽，因此驱动程序的表现形式可能就是一些标准的、事先协定好的API函数，驱动工程师只需要去完成相应函数的填充，应用工程师只需要调用相应的接口完成相应的功能。无论有没有操作系统，驱动程序都有其存在价值，只是在裸机情况下，工作环境比较简单、完成的工作较单一，驱动程序完成的功能也就比较简单，同时接口只要在小范围内符合统一的标准即可。但是在有操作系统的情况下，此问题就会被放大：硬件来自不同的公司、千变万化，全世界每天都会有大量的新芯片被生产，大量的电路板被设计出来，如果没有一个很好的统一标准去规范这一程序，操作系统就会被设计的非常冗余，效率会非常低。

所以无论任何操作系统都会制定一套标准的架构去管理这些驱动程序：linux作为嵌入式操作系统的典范，其驱动架构具有很高的规范性与聚合性，不但把不同的硬件设备分门别类、综合管理，并且针对不同硬件的共性进行了统一抽象，将其硬件相关性降到最低，大大简化了驱动程序的编写，形成了具有其特色的驱动组织架构。

下图反映了应用程序、linux内核、驱动程序、硬件的关系。

linux内核分为5大部分：多任务管理、内存管理、文件系统管理、设备管理、网络管理；

每一部分都有承上下的作用，对上提供API接口，提供给应用开发工程师使用；

对下通过驱动程序屏蔽不同的硬件构成，完成硬件的具体操作。

Linux 设备驱动基本概念

学习linux设备驱动首先我们必须明确以下几个概念，为我们接下来学习linux驱动打下坚实的基础：

应用程序、库、内核、驱动程序的关系

设备类型

设备文件、主设备号与从设备号

驱动程序与应用程序的区别

用户态与内核态

Linux驱动程序功能

一、应用程序、库、内核、驱动程序的关系

1)应用程序调用一系列函数库，通过对文件的操作完成一系列功能：

应用程序以文件形式访问各种硬件设备（linux特有的抽象方式，把所有的硬件访问抽象为对文件的读写、设置）

函数库：

部分函数无需内核的支持，由库函数内部通过代码实现，直接完成功能

部分函数涉及到硬件操作或内核的支持，由内核完成对应功能，我们称其为系统调用

2)内核处理系统调用，根据设备文件类型、主设备号、从设备号（后面会讲解），调用设备驱动程序；

3)设备驱动直接与硬件通信；

二、设备类型

硬件是千变万化的，没有八千也有一万了，就像世界上有三种人：男人、女人、女博士一样，linux做了一个很伟大也很艰难的分类：把所有的硬件设备分为三大类：字符设备、块设备、网络设备。

1)字符设备：字符(char)设备是个能够像字节流（类似文件）一样被访问的设备。

对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O操作一般紧接着发生；

字符设备驱动程序通常至少要实现open、close、read和write系统调用。

比如我们常见的lcd、触摸屏、键盘、led、串口等等，就像男人是用来干活的一样，他们一般对应具体的硬件都是进行出具的采集、处理、传输。

2)块设备：一个块设备驱动程序主要通过传输固定大小的数据（一般为512或1k）来访问设备。

块设备通过buffer cache(内存缓冲区)访问，可以随机存取，即：任何块都可以读写，不必考虑它在设备的什么地方。

块设备可以通过它们的设备特殊文件访问，但是更常见的是通过文件系统进行访问。

只有一个块设备可以支持一个安装的文件系统。

比如我们常见的电脑硬盘、SD卡、U盘、光盘等，就像女人一样是用来存储信息的。

3)网络接口：任何网络事务都经过一个网络接口形成，即一个能够和其他主机交换数据的设备。

访问网络接口的方法仍然是给它们分配一个唯一的名字（比如eth0），但这个名字在文件系统中不存在对应的节点。

内核和网络设备驱动程序间的通信，完全不同于内核和字符以及块驱动程序之间的通信，内核调用一套和数据包传输相关的函数（socket函数）而不是read、write等。

比如我们常见的网卡设备、蓝牙设备，就像女博士一样，数量稀少但又不可或缺。

linux中所有的驱动程序最终都能归到这三种设备中，当然他们之间也没有非常严格的界限，这些都是程序中对他们的划分而已，比如一个sd卡，我们也可以把它封装成字符设备去操作也是没有问题的。就像。。。

三、设备文件、主设备号、从设备号

有了设备类型的划分，那么应用程序应该怎样访问具体的硬件设备呢？

或者说已经确定他是一个男人了，那么怎么从万千世界中区分他与他的不同呢？

答案是：姓名，在linux驱动中也就是设备文件名。

那么重名怎么办？

答案是：身份证号，在linux驱动中也就是设备号（主、从）。

设备文件：

在linux

系统

中有一个约定俗成的说法:“一切皆文件”，

应用程序使用设备文件节点访问对应设备，

Linux下的各种硬件设备以文件的形式存放于/dev目录下，可以使用ls /dev 查看

Linux把对硬件的操作全部抽象成对文件的操作

（open,read,write,close,…）

每个设备文件都有其文件属性（c或者b），使用ls /dev -l 的命令查看，

表明其是字符设备或者块设备，网络设备没有在这个文件夹下，用来明其性别（男人、女人）

主设备号、从设备号

在设备管理中，除了设备类型外，内核还需要一对被称为主从设备号的参数，才能唯一标识一个设备，类似人的身份证号

主设备号：

用于标识驱动程序，相同的主设备号使用相同的驱动程序，例如：S3C2440 有串口、LCD、触摸屏三种设备，他们的主设备号各不相同；

从设备号：

用于标识同一驱动程序的不同硬件

例：PC的IDE设备，主设备号用于标识该硬盘，从设备号用于标识每个分区，2440有三个串口，每个串口的主设备号相同，从设备号用于区分具体属于那一个串口。

四、驱动程序与应用程序的区别

应用程序以main开始

驱动程序没有main，它以一个模块初始化函数作为入口

应用程序从头到尾执行一个任务

驱动程序完成初始化之后不再运行，等待系统调用

应用程序可以使用glibc等标准C函数库

驱动程序不能使用标准C库

五、用户态与内核态的区分

驱动程序是内核的一部分，工作在内核态

应用程序工作在用户态

数据空间访问问题

无法通过指针直接将二者的数据地址进行传递

系统提供一系列函数帮助完成数据空间转换
get_user
put_user
copy_from_user
copy_to_user

六、Linux驱动程序功能

对设备初始化和释放资源

把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据