Linux设备驱动概述

1. 设备驱动的作用

  对设备驱动的最通俗解释就是驱动硬件设备行动，驱动和底层硬件设备直接打交道，按照硬件设备的具体工作方式，读写设备的寄存器，完成设备的轮询，中断处理，DMA通信，进行物理内存向虚拟内存的映射等，最终让通信设备能够收发数据，让显示设备能够显示文字和画面，让存储设备能记录文件和数据。
  无操作系统的情况下，工程师可以根据硬件设备的特点自信定义接口，有操作系统的情况下，驱动的结构则由相应的操作系统定义，驱动工程师必须按照相应的架构设计驱动，这样，驱动才能整合入操作系统的内核中。

2. 无操作系统的设备驱动

  并不是任何一个计算机系统都一定要有操作系统，很多情况下，操作系统都不必存在，对于功能比较单一，控制不复杂的系统，ASIC内部，公交车的刷卡机，电冰箱，微波炉等，并不需要多任务调度，文件系统，内部管理等复杂功能，单任务架构完全可以良好的支持它们的工作。一个无限循环中夹杂着对设备中断的检测或者对设备的轮询是这种系统中软件的典型架构。

int main(int argc, char* argv[])
{while(1){if(serialInt == 1){//有串口中断ProcessSerialInt()//处理串口中断serialInt = 0;//中断标志变量清0}if(keyInt == 1){//有按键中断ProcessKeyInt();//处理按键中断keyInt = 0;//中断标志变量清0}status = CheckXXX();switch(status){//...}//...}
}

  在无操作系统的系统中，虽然不存在操作系统，但是设备驱动则无论如何都必须存在，一般情况下，每种设备驱动都会定义一个软件模块，包含.h文件和.c文件，前者定义该设备驱动的数据结构并声明外部函数，后者负责进行驱动的具体实现，如下：

//无操作系统情况下串口的驱动
/****************
*serial.h文件
*****************/extern void SerialInit(void);
extern void SerialSend(const char buf*, int count);
extern void SerialRecv(char buf*, int count);/****************
*serial.c文件
*****************///初始化串口
void SerialInit(void)
{//...
}
//串口发送
void SerialSend(const char buf*, int count)
{//...
}
//串口接收
void SerialRecv(char buf*, int count)
{//...
}
//串口中断处理函数
void SerialIsr(void)
{//...serialInt = 1;
}

  其他模块想要使用这个设备的时候，只需要包含设备驱动的头文件serial.h，然后调用其中的外部接口函数，如果要从串口上发送“hello world”字符串，使用语句SerialSend（“hello world”， 11）即可。
  无操作系统下硬件，设备驱动与引用软件的关系：

  两种不合理的设计：

3. 有操作系统时的设备驱动

  当系统中存在操作系统的时候，驱动变成了连接硬件和内核的桥梁，操作系统的存在势必要求设备驱动附加更多的代码和功能，把单一的“驱使设备硬件行动”变成了操作系统内与硬件交互的模块，对外呈现操作系统的API，不在给应用软件工程师提供接口。

操作系统的作用：
  1.一个复杂的软件系统需要处理多个并发的任务，没有操作系统，想完成多任务并发时很困难的。
  2.操作系统给我们提供了内存管理机制，对于多数含MMU的32位处理器而言，Windows，Linux等操作系统可以让每个进程都独立地访问4GB的内存空间。
  3.操作系统通过给驱动设定统一的接口形式来使得上层的应用程序可以使用统一的系统调用接口来访问各种设备。

4. Linux设备驱动

4.1 设备的分类及特点

  计算机系统的硬件主要由CPU，存储器和外设组成，因为IC制作的发展，芯片集成度更高了，往往在CPU内部就集成了存储器和外设适配器。
  驱动针对的对象事存储器和外设（包括CPU内部继承的存储器和外设），而不是针对CPU内核，Linux将存储器和外设分为3个基础大类：
  1.字符设备：指那些必须以串行顺序依次进行访问的设备，如触摸屏，磁带驱动器，鼠标等。块设备可以按任意顺序进行访问，以块为单位进行操作。
  2.块设备：字符设备和块设备的驱动设计有很大的差异，但是对于用户而言，字符设备和块设备都只需要使用文件系统的操作接口open(),close(),read(),write()等进行访问。
  3.网络设备：主要是为了面向数据包的接收和发送而设计的，网络设备的通信方式和前两者完全不同，主要是使用的套接字接口。

4.2 Linux设备驱动与整个软硬件系统的关系

  Linux的块设备有两种访问的方式：一种是类似dd命令对应的原始块设备，另一种是在块设备上建立FAT、EXT4、BTRFS等文件系统，然后以文件路径的方式访问。
  在Linux中，针对NOR、NAND等提供了独立的内存技术设备子系统，其上运行具备擦除和负载均衡能力的文件系统，针对磁盘或者Flash设备上的FAT，EXT4等文件系统定义了文件和目录在存储介质上的组织。

4.3 Linux设备驱动的重难点

  1.编写Linux设备驱动要求工程师有非常好的硬件基础，懂得SRAM，Flash，SDRAM，磁盘的读写方式，UART，I2C，USB等设备的接口以及轮询，中断，DMA的原理，PCI总线的工作方式以及CPU的内存管理单元MMU等。
  2.编写Linux设备驱动要求工程师有非常好的C语言基础，能灵活运用结构体，指针，函数指针以及内存动态申请和释放等。
  3.要求有Linux内核基础，明白驱动与内核的接口，尤其是块设备，网络设备，Flash设备，串口设备等。
  4.需要多任务并发控制和同步的基础，因为驱动中会大量使用自旋锁，互斥，信号量，等待队列等并发与同步机制。

5. 源代码阅读

  1.window上阅读Linux源代码的工具SourceInsight
  2.类似https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/Documentation提供了Linux内核源代码的交叉索引
  3.Linux上通常是vim+cscope或者vim+ctags，cscope和ctags可建立代码索引

6. 设备驱动：LED驱动

6.1 无操作系统的LED驱动

  在嵌入式系统的设计中，LED一般直接由CPU和GPIO（通用可编程IO）口控制，GPIO一般是由两组寄存器控制，一组控制寄存器和一组数据寄存器。控制寄存器设置GPIO工作方式为输入还是输出。当设置为输出时，向寄存器的对应位写入1和0会分别在引脚上产生高电平和低电平，当设置为输入时，读取数据寄存器的对应位可获得引脚上的电平为高或低。
  屏蔽CPU差异，GPIO_REG_CTRL物理地址中控制寄存器处的第n位写入1可设置GPIO口为输出，在地址GPIO_REG_DATA物理地址中数据寄存器的第n位写入1或者0可以引脚上产生高或低电平。无操作系统下设备驱动清单：

#define reg_gpio_ctrl *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL))
#define reg_gpio_data *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL))
//初始化LED
void LigthInit(void)
{reg_gpio_ctrl |= (1 << n);//设置GPIO为输出
}
//点亮LED
void LightOn(void)
{reg_gpio_data |= (1 << n);//在GPIO上输出高电平
}
//熄灭LED
void LightOff(void)
{reg_gpio_data &= ~(1 << n);//在GPIO上输出低电平
}

  LigthInit()，LightOn()，LightOff()都是外部的接口函数。程序中ToVirtual()的作用是当系统启动了硬件MMU之后，根据物理地址和虚拟地址的映射关系，将寄存器的物理地址转化为虚拟地址。

6.2 Linux下的LED驱动

  位于drivers/leds/leds-gpio.c中，目录

https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/drivers/leds/leds-gpio.c

  内核中实现了一个提供sysfs节点的GPIO LED驱动，操作硬件的LightInit()，LightOn()，Light Off()函数仍然需要，但是，遵循Linux编程命名习惯，改为light_init()，light_on()，light_off()，这些函数将被LED设备驱动中独立于设备并针对内核的接口进行调用。

#include ...//包含多个头文件//设备结构体
struct light_dev {struct cdev cdev;//字符设备cdev结构体unsigned char value;//LED亮时为1，熄灭为0，用户可读写该值
};struct ligth_dev* light_devp;
int light_major = LIGHT_MAJOR;MODULE_AUTHOR("Barry Song <xxx@gmail.com>");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
//打开和关闭函数
int light_open(struct inode* inode, struct file* filp)
{struct light_dev* dev;//获得设备结构体指针dev = container_of(inode->i_cdev, struct light_dev, cdev);//让设备结构体作为设备的私有信息filp->private_data = dev;return 0;
}int light_release(struct inode* inode, struct file* filp)
{return 0;
}//读写设备：可以不需要
ssize_t light_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos)
{struct light_dev *dev = filp->private_data;//获得设备结构体if(copy_to_user(buf, &(dev->value), 1))return -EFAULT;return 1;
}ssize_t light_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t count,
loff_t* f_pos)
{struct light_dev* dev = filp->private_data;if(copy_from_user(&(dev->value), buf, 1)return -EFAULT;//根据写入的值点亮和熄灭LEDif(dev->value == 1)ligth_on();elselight_off();return 1;
}//ioctl函数
int light_ioctl(struct inode* inode, struct file* filp, unsigned int cmd, usigned long arg)
{struct light_dev* dev = filp->private_data;switch(cmd){case LIGHT_ON:dev->value = 1;light_on();break();case LIGHT_OFF:dev-value = 0;light_off();break;default:return -EFAULT;}return 0;
}struct file_operations light_fops = {.owner = THIS_MODULE,.read = light_read,.write = light_write,.ioctl = light_ioctl,.open = light_open,.release = light_release,
};//设置字符设备cdev结构体
static void light_setip_cdev(struct light_dev* dev, int index)
{int err, devno = MKDEV(light_major, index);cdev_init(&dev->cdev, &light_fops);dev->cdev.owner = THIS_MODULE;dev->cdev.ops = &light_fops;err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);if(err)printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index);
}//模块加载函数
int light_init(void)
{int result;dev_t dev = MKDEV(light_major, 0);//申请字符设备号if(light_major)result = register_chrdev_region(dev, 1, "LED");else {result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "LED");light_major = MAJOR(dev);}if(result < 0)return result;//分配设备结构体的内存light_devp = kmalloc(sizeof(struct light_dev), GFP_KERNEL);if(!light_devp){result = -ENOMEM;goto fail_malloc;}memset(light_devp, 0, sizeof(struct light_dev));light_setup_cdev(light_devp, 0);light_gpio_init();return 0;fail_malloc:unregister_chrdev_region(dev, light_devp);return result;
}//模块卸载函数
void light_cleanup(void)
{cdev_del(&light_devp->cdev);//删除字符设备结构体kfree(light_devp);//释放在light_init中分配的内存unregister_chrdev_region(MKDEV(light_major, 0), 1);//删除字符设备
}module_init(light_init);
module_exit(light_cleanup);

  上述暂时陌生的元素都是Linux内核字符设备定义的，以实现驱动与内核的接口而定义的，Linux对各类设备的驱动都定义了类似的数据结构和函数。