如何系统的学习Linux驱动开发

在学习之前一直对驱动开发非常的陌生，感觉有点神秘。不知道驱动开发和普通的程序开发究竟有什么不同；它的基本框架又是什么样的；他的开发环境有什么特殊的地方；以及怎么写编写一个简单的字符设备驱动前编译加载，下面我就对这些问题一个一个的介绍。

一、驱动的基本框架

1．  那么究竟什么是驱动程序，它有什么用呢:

l     驱动是硬件设备与应用程序之间的一个中间软件层

l 它使得某个特定硬件能够响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐蔽了设备的工作细节

l     用户通过一组与具体设备无关的标准化的调用来完成相应的 *** 作

l 驱动程序的任务就是把这些标准化的系统调用映射到具体设备对于实际硬件的特定 *** 作上

l     驱动程序是内核的一部分，可以使用中断、DMA等 *** 作

l     驱动程序在用户态和内核态之间传递数据

2．  Linux驱动的基本框架

3．  Linux下设备驱动程序的一般可以分为以下三类

1)        字符设备

a)         所有能够象字节流一样访问的设备都通过字符设备来实现

b)        它们被映射为文件系统中的节点，通常在/dev/目录下面

c)        一般要包含open read write close等系统调用的实现

2)        块设备

d)        通常是指诸如磁盘、内存、Flash等可以容纳文件系统的存储设备。

e)         块设备也是通过文件系统来访问，与字符设备的区别是：内核管理数据的方式不同

f)         它允许象字符设备一样以字节流的方式来访问，也可一次传递任意多的字节。

3)        网络接口设备

g)        通常它指的是硬件设备，但有时也可能是一个软件设备(如回环接口loopback)，它们由内核中网络子系统驱动，负责发送和接收数据包。

h)        它们的数据传送往往不是面向流的，因此很难将它们映射到一个文件系统的节点上。

二、怎么搭建一个驱动的开发环境

因为驱动是要编译进内核,在启动内核时就会驱动此硬件设备；或者编译生成一个.o文件, 当应用程序需要时再动态加载进内核空间运行。因此编译任何一个驱动程序都要链接到内核的源码树。所以搭建环境的第一步当然是建内核源码树

1.       怎么建内核源码树

a) 首先看你的系统有没有源码树，在你的/lib/ modules目录下会有内核信息，比如我当前的系统里有两个版本：

#ls /lib/ modules

2.6.15-rc7  2.6.21-1.3194.fc7

查看其源码位置:

## ll /lib/modules/2.6.15-rc7/build

lrwxrwxrwx 1 root root 27 2008-04-28 19:19 /lib/modules/2.6.15-rc7/build ->/root/xkli/linux-2.6.15-rc7

发现build是一个链接文件，其所对应的目录就是源码树的目录。但现在这里目标目录已经是无效的了。所以得自己重新下载

b)下载并编译源码树

有很多网站上可以下载，但官方网址是：

http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/

下载完后当然就是解压编译了

# tar –xzvf linux-2.6.16.54.tar.gz

#cd linux-2.6.16.54

## make menuconfig (配置内核各选项,如果没有配置就无法下一步编译，这里可以不要改任何东西)

#make

…

如果编译没有出错。那么恭喜你。你的开发环境已经搭建好了

三、了解驱动的基本知识

1.         设备号

1)        什么是设备号呢？我们进系统根据现有的设备来讲解就清楚了：

#ls -l /dev/

crwxrwxrwx 1 root root     1,   3 2009-05-11 16:36 null

crw------- 1 root root     4,   0 2009-05-11 16:35 systty

crw-rw-rw- 1 root tty      5,   0 2009-05-11 16:36 tty

crw-rw---- 1 root tty      4,   0 2009-05-11 16:35 tty0

在日期前面的两个数（如第一列就是1,3）就是表示的设备号，第一个是主设备号，第二个是从设备号

2)        设备号有什么用呢？

l 传统上, 主编号标识设备相连的驱动. 例如, /dev/null 和 /dev/zero 都由驱动 1 来管理, 而虚拟控制台和串口终端都由驱动 4 管理

l 次编号被内核用来决定引用哪个设备. 依据你的驱动是如何编写的自己区别

3)        设备号结构类型以及申请方式

l   在内核中, dev_t 类型(在 中定义)用来持有设备编号, 对于 2.6.0 内核, dev_t 是 32 位的量, 12 位用作主编号, 20 位用作次编号.

l   能获得一个 dev_t 的主或者次编号方式：

MAJOR(dev_t dev)//主要

MINOR(dev_t dev)//次要

l   但是如果你有主次编号, 需要将其转换为一个 dev_t, 使用: MKDEV(int major, int minor)

4)        怎么在程序中分配和释放设备号

在建立一个字符驱动时需要做的第一件事是获取一个或多个设备编号来使用. 可以达到此功能的函数有两个：

l       一个是你自己事先知道设备号的

register_chrdev_region, 在 中声明:

int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name)

first 是你要分配的起始设备编号. first 的次编号部分常常是 0,count 是你请求的连续设备编号的总数. name 是应当连接到这个编号范围的设备的名子 它会出现在 /proc/devices 和 sysfs 中.

l       第二个是动态动态分配设备编号

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name)

使用这个函数, dev 是一个只输出的参数, 它在函数成功完成时持有你的分配范围的第一个数. fisetminor 应当是请求的第一个要用的次编号 它常常是 0. count 和 name 参数如同给 request_chrdev_region 的一样.

5)        设备编号的释放使用

不管你是采用哪些方式分配的设备号。使用之后肯定是要释放的，其方式如下：

void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count)

6)

2.         驱动程序的二个最重要数据结构

1)         file_operation

倒如字符设备scull的一般定义如下：

struct file_operations scull_fops = {

.owner =  THIS_MODULE, 

 .llseek =  scull_llseek, 

 .read =  scull_read, 

 .write =  scull_write, 

 .ioctl =  scull_ioctl, 

 .open =  scull_open, 

 .release =  scull_release,  

}

file_operation也称为设备驱动程序接口

定义在 , 是一个函数指针的集合. 每个打开文件(内部用一个 file 结构来代表)与它自身的函数集合相关连( 通过包含一个称为 f_op 的成员, 它指向一个 file_operations 结构). 这些 *** 作大部分负责实现系统调用, 因此, 命名为 open, read, 等等

2)         File

定义位于include/fs.h

struct file结构与驱动相关的成员

l         mode_t f_mode      标识文件的读写权限

l         loff_t f_pos           当前读写位置

l         unsigned int_f_flag 文件标志，主要进行阻塞/非阻塞型 *** 作时检查

l         struct file_operation * f_op  文件 *** 作的结构指针

l         void * private_data 驱动程序一般将它指向已经分配的数据

l         struct dentry* f_dentry  文件对应的目录项结构

3.         字符设备注册

1)        内核在内部使用类型 struct cdev 的结构来代表字符设备. 在内核调用你的设备 *** 作前, 必须编写分配并注册一个或几个这些结构. 有 2 种方法来分配和初始化一个这些结构.

l             如果你想在运行时获得一个独立的 cdev 结构,可以这样使用:

struct cdev *my_cdev = cdev_alloc()

my_cdev->ops = &my_fops

l             如果想将 cdev 结构嵌入一个你自己的设备特定的结构 你应当初始化你已经分配的结构, 使用:

void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops)

2)        一旦 cdev 结构建立, 最后的步骤是把它告诉内核, 调用:

int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count)

说明：dev 是 cdev 结构, num 是这个设备响应的第一个设备号, count 是应当关联到设备的设备号的数目. 常常 count 是 1, 但是有多个设备号对应于一个特定的设备的情形.

3)        为从系统去除一个字符设备, 调用:

void cdev_del(struct cdev *dev)

4.         open 和 release

需要一定的努力才可以学好：

Linux设备驱动是linux内核的一部分，是用来屏蔽硬件细节，为上层提供标准接口的一种技术手段。为了能够编写出质量比较高的驱动程序，要求工程师必须具备以下几个方面的知识：

1、 熟悉处理器的性能

如：处理器的体系结构、汇编语言、工作模式、异常处理等。对于初学者来说，在还不熟悉驱动编写方法的情况下，可以先不把重心放在这一项上，因为可能因为它的枯燥、抽象而影响到你对设备驱动的兴趣。随着你不断地熟悉驱动的编写，你会很自然的意识到此项的重要性。

2、掌握驱动目标的硬件工作原理及通讯协议

如：串口控制器、显卡控制器、硬件编解码、存储卡控制器、I2C通讯、SPI通讯、USB通讯、SDIO通讯、I2S通讯、PCI通讯等。编写设备驱动的前提就是需要了解设备的 *** 作方法，所以这些内容的重要程度不言而喻。但不是说要把所有设备的 *** 作方法都熟悉了以后才可以写驱动，你只需要了解你要驱动的硬件就可以了。

一、掌握硬件的控制方法

如：中断、轮询、DMA 等，通常一个硬件控制器会有多种控制方法，你需要根据系统性能的需要合理的选择 *** 作方法。初学阶段以实现功能为目的，掌握的顺序应该是，轮询->中断->DMA。随着学习的深入，需要综合考虑系统的性能需求，采取合适的方法。

二、良好的GNU C语言编程基础

如：C语言的指针、结构体、内存 *** 作、链表、队列、栈、C和汇编混合编程等。这些编程语法是编写设备驱动的基础，无论对于初学者还是有经验者都非常重要。

三、 良好的linux *** 作系统概念

如：多进程、多线程、进程调度、进程抢占、进程上下文、虚拟内存、原子 *** 作、阻塞、睡眠、同步等概念及它们之间的关系。这些概念及方法在设备驱动里的使用是linux设备驱动区别单片机编程的最大特点，只有理解了它们才会编写出高质量的驱动。

四、掌握linux内核中设备驱动的编写接口

如：字符设备的cdev、块设备的gendisk、网络设备的net_device，以及基于这些基本接口的framebuffer设备的fb_info、mtd设备的mtd_info、tty设备的tty_driver、usb设备的usb_driver、mmc设备的mmc_host等。

1.首先要了解为什么要学习内核？下图已表明，如果要从事驱动开发或系统研究，就要学习内核。

2.内核的知识就像下面的绳结一样，一环扣一环，我们要解开它们，就必须要先找到线头也就是内核中的函数接口。初学阶段，我们一般不深入的研究内核代码，会使用内核的接口函数就不错了。

3.下面提供了如何学习这些内核函数的方法，就像解绳子一样

4.学习内核的四步法则，思维导图的设计尤为重要，这也是能否学习好内核的关键

5.语言基础也需要扎实，所以需要把C语言巩固巩固

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