解释一下linux驱动程序结构框架及工作原理

一、Linux device driver 的概念

系统调用是 *** 作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是 *** 作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象 *** 作普通文件一样对硬件设备进行 *** 作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能:

1、对设备初始化和释放；

2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；

3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；

4、检测和处理设备出现的错误。

在Linux *** 作系统下有三类主要的设备文件类型，一是字符设备，二是块设备，三是网络设备。字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O *** 作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的CPU时间来等待。

已经提到，用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还是块设备?另外每个文件都有两个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从设备号，标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用从设备号来区分他们。设备文件的的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到驱动程序。

最后必须提到的是，在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度。也就是说，系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环，不幸的是你只有重新启动机器了，然后就是漫长的fsck。

二、实例剖析

我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序。

由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的 *** 作方式不外乎就是一些系统调用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构：

STruct file_operatiONs {

int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int)

int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int)

int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int)

int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int)

int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *)

int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long)

int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *)

int (*open) (struct inode * ，struct file *)

int (*release) (struct inode * ，struct file *)

int (*fsync) (struct inode * ，struct file *)

int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int)

int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *)

int (*revalidate) (dev_t dev)

}

这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write *** 作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样，则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域。

下面就开始写子程序。

#include <linux/types.h>基本的类型定义

#include <linux/fs.h>文件系统使用相关的头文件

#include <linux/mm.h>

#include <linux/errno.h>

#include <asm/segment.h>

unsigned int test_major = 0

static int read_test(struct inode *inode，struct file *file，char *buf，int count)

{

int left用户空间和内核空间

if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )

return -EFAULT

for(left = count left >0 left--)

{

__put_user(1，buf，1)

buf++

}

return count

}

这个函数是为read调用准备的。当调用read时，read_test()被调用，它把用户的缓冲区全部写1。buf 是read调用的一个参数。它是用户进程空间的一个地址。但是在read_test被调用时，系统进入核心态。所以不能使用buf这个地址，必须用__put_user()，这是kernel提供的一个函数，用于向用户传送数据。另外还有很多类似功能的函数。请参考，在向用户空间拷贝数据之前，必须验证buf是否可用。这就用到函数verify_area。为了验证BUF是否可以用。

static int write_test(struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count)

{

return count

}

static int open_test(struct inode *inode，struct file *file )

{

MOD_INC_USE_COUNT模块计数加以，表示当前内核有个设备加载内核当中去

return 0

}

static void release_test(struct inode *inode，struct file *file )

{

MOD_DEC_USE_COUNT

}

这几个函数都是空 *** 作。实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。

struct file_operations test_fops = {?

read_test，

write_test，

open_test，

release_test，

}

设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules)，如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。

int init_module(void)

{

int result

result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops)对设备 *** 作的整个接口

if (result <0) {

printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n")

return result

}

if (test_major == 0) test_major = result/* dynamic */

return 0

}

在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行 *** 作的函数的指针。

如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。

void cleanup_module(void)

{

unregister_chrdev(test_major，"test")

}

在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。

一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。

下面编译 :

$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c –c表示输出制定名，自动生成.o文件

得到文件test.o就是一个设备驱动程序。

如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后

ld ?-r ?file1.o ?file2.o ?-o ?modulename。

驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。

$ insmod ?–f ?test.o

如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的主设备号。要卸载的话，运行 :

$ rmmod test

下一步要创建设备文件。

mknod /dev/test c major minor

c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。

用shell命令

$ cat /proc/devices

就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

minor是从设备号，设置成0就可以了。

我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

main()

{

int testdev

int i

char buf[10]

testdev = open("/dev/test"，O_RDWR)

if ( testdev == -1 )

{

printf("Cann't open file \n")

exit(0)

}

read(testdev，buf，10)

for (i = 0i <10i++)

printf("%d\n"，buf[i])

close(testdev)

}

编译运行，看看是不是打印出全1

以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。上述给出了一个简单的字符设备驱动编写的框架和原理，更为复杂的编写需要去认真研究LINUX内核的运行机制和具体的设备运行的机制等等。希望大家好好掌握LINUX设备驱动程序编写的方法。

一般的驱动程序是不允许应用程序调用的，只有当驱动程序留出这种供外界访问的接口才行，这种接口一般包括read，write，open，ioctl等接口，如果驱动中预留出了这些接口，就可以在应用程序中调用，比如fd=open(设备，参数)或者fd=ioctl(设备，参数)，这样就会调用到这个设备驱动中的open或者ioctl函数。所以一般如果想再应用程序中调试某个驱动程序，常见的方法就是自己建立一个驱动模块，这个模块中预留出对外接口，比如ioctl。然后在你新建的这个驱动模块中完成ioctl函数，如下：

int device_ioctl(fd,argv) {

/* your function*/

}

static struct file_operations device = {

.ioctl = device_ioctl //预留外部接口

}

应用程序如下：

ioctl（device，argv）；

上面这句就可以完成你的模块中ioctl中的功能。

韦东山：6000字长文告诉你如何学习嵌入式linux

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第1章 单片机和Linux的区别

1.1 有哪些产品使用单片机或Linux

所有的电子产品，所用技术都可以认为要么是单片机，要么是Linux；GUI方面主要是QT/Android，它们都是运行于Linux之上的。

也许你不服！不是还有ucos、vxwork、wince、IOS吗？下面这个图是关于 *** 作系统的占比，是2016年的，我没找到更新的图，但是很有参考意义：

我们说的单片机不使用 *** 作系统，在上图中没有体现出来。但是使用单片机设备肯定远远超过Linux。很多人也是先学习单片机，从单片机进入电子工程师行业

日常生活中，有哪些产品使用单片机、Linux呢？下面举一些例子：

我们设计一个产品时，是使用单片机还是Linux，取决于成本：硬件成本、软件成本、维护成本、升级成本。而不应该根据个人偏好来选择：我喜欢单片机，所以就排斥使用Linux；我喜欢Linux，就排斥使用单片机。为了有更多的选择，我们需要既懂单片机，又懂Linux。

1.2 在硬件 *** 作上单片机和Linux是类似的

以点灯为例，

无论是单片机还是Linux，我们要做的事情都一样：

① 看原理图，确定引脚是哪一个，确定它输出什么电平才可以

② 看芯片手册，确定要怎么 *** 作寄存器

③ 写程序

但是，怎么编写程序，单片机和Linux有很大不同。

1.3 在单片机中点灯、使用LCD

使用单片机开发程序时，我们一上来就写一个main函数，下面是一些简化的代码：

LED程序里面的init_led、led_on、led_off函数是你一个人写的，爱取什么名就取什么名，爱怎么写就怎么写。

LCD程序里的函数也是你写的，完全是自由发挥。

很多单片机项目不是很复杂，2、3个人从上到下统统搞定，里面的函数大多时间是直接去读写寄存器。

很多单片机项目严重依赖于硬件，换一个芯片后怎么办？重写一套代码呗。

在单片机程序里，没有应用程序、驱动程序的概念，很可能一个人包揽了硬件设计、模块调试(或称之为驱动)、功能开发(或称之为应用)的全部活。

1.4 在Linux中点灯、使用LCD

在Linux中，不允许应用开发人员直接去 *** 作硬件，比如你想点个灯，不好意思，你无法直接访问寄存器；你需要通过驱动程序来访问寄存器。

为什么？有几大原因：

① Linux系统中运行着众多程序，必须保证质量差的程序无法破坏系统：

假设你写的程序比较烂，那我不能让你去随便访问寄存器，把系统搞崩溃了怎么办？你本意是去点灯，但是你看错了寄存器，你把电源关了怎么办？

所以这些 *** 作硬件的活，还是交给信得过的人来做吧：交给驱动工程师，他既懂硬件又懂软件。

② 保证程序的可移植性：

编写应用程序时，大家都使用统一的函数，以后换一个芯片时，应用程序不用变；只需要根据这个接口提供驱动程序就可以了。

③ 团队协作：

。使用Linux系统的项目一般比较大，术业有专攻，一个人不太可能从上到下都全部掌握。比如做人脸识别项目，有擅长做图像处理的，他可不管你要用多少种摄像头，有图像给他就可以。而多种摄像头的硬件 *** 作方法各有不同，这些交给驱动程序工程师。

所以，在Linux中应用程序和驱动程序是分开的。

以LED、LCD程序为例，简化的代码如下：

也许你已经大概猜出来了，应用程序怎么调用驱动程序？通过标准的接口：

①open：

打开驱动程序。

② read/write：

读、写数据。

③ ioctl：

传入各种参数，获得各种参数。

④ mmap：

内存映射，比如映射之后，应用程序可以直接读写LCD的显存。

你看！从这些接口里，我们根本看不到寄存器的 *** 作。底层的程序驱动会根据这些调用，去设置寄存器、 *** 作硬件。

所以，我高大上的应用工程师，干嘛苦哈哈地去看原理图、看在片手册、读写寄存器，搞不好还要去调试硬件BUG。这些脏活、累活就交给驱动工程师吧。客户的需求千变万化，我996时间都不够用了。

切，我上懂软件、下懂硬件的驱动工程师，肯定不能把这么重要的活交给你去做了，把我的系统搞崩溃了怎么办。

开玩笑、开玩笑、开玩笑的，有应用工程师、驱动工程师的优劣之分，大家都是为了做出产品。现在有一个趋势，一个任务从上到下你都需要懂，这就是所谓的全栈工程师。

还是以LED为例，应用程序和驱动程序的协作如下图所示：

在Linux中，“一切皆文件”，要访问某个硬件，也是要打开文件、读写文件。应用程序要根据标准的文件接口：open/read/write/ioctl/mmap等来访问驱动程序。

既然如此，怎么写驱动程序呢？最简单的方法就是：APP要调用open来打开驱动程序，那驱动‘程序里就提供一个xxx_open函数来初始化硬件；APP要调用write来写数据，驱动程序里就提供一个xxx_write函数来接收数据并 *** 作硬件。

用xxx_open、xxx_write来构成一个驱动程序，这就是驱动框架。

怎么实现这些xxx_open、xxx_write函数？我们要做的事情跟单片机是类似的，一样要去看电路图、看芯片手册，然后在这些函数里读写寄存器：这称为硬件 *** 作。

所以，Linux驱动程序= 驱动框架 + 硬件 *** 作。

有单片机基础的人，对硬件 *** 作比较熟悉了，把重点放在驱动框架上就可以。

高能预警：驱动框架可不简单，对于LED来说是简单，但是还有更复杂的驱动程序，它要考虑“通用”，这很要命。

第2章 嵌入式Linux快速入门

这几天在群里跟学员聊天，有一位学员的学习方法很好：先观其广，再究其深。有时候要“不求甚解”，很多时候保持疑问先学下去，这些疑问就自然解决了。

比如课程中涉及汇编知识，如果你要彻底弄清楚，你需要去学习《ARM架构与编程》；当你学完这本书，你的同学搞不好已经可以上手工作了。

2.1 短期的目标是什么

我们先把学习目标定下来：快速了解嵌入式Linux开发的流程，知道要学什么，具备跟从业者交流的能力。

下面我们用类比和逻辑推导出嵌入式Linux系统的组成，没错，“推导”。

从上图可以知道：

① 组成：

嵌入式Linux系统

= bootloader + linux内核 + 根文件系统(里面含有APP)。

② bootloader：

它的目的是启动内核，去哪等读内核？读到哪里？去Flash等外设读内核，存到内存里去。所以需要有Flash里外设的驱动能力，为了调试方便还会有网络功能。

所以，可以认为 booloader = 裸机集合，它就是一个复杂的单片机程序。

③ Linux内核

Linux内核的最主要目的是去启动APP，APP保存在哪里？保存在“根文件系统”里。“根文件系统”又保存在哪里？在Flash、SD卡等设备里，甚至可能在网络上。所以Linux内核要有这些Flash、SD卡里设备的驱动能力。

不仅如此，Linux内核还有进程调度能力、内存管理等功能。

所以：Linux内核 = 驱动集合 + 进程调度 + 内存管理等。

2.3 要学习bootloader吗

Bootloader有很多种，常用的叫作u-boot。

在实际工作中，对于u-boot基本上是修修改改，甚至不改。但是u-boot本身是很复杂的，比如为了便于调试，它支持网络功能；有些内核是保存在FAT32分区里，于是它要能解析FAT32分区，读FAT32分区的文件。

花那么多精力去学习u-boot，但是工作中基本用不到，这对初学者很不友善。

所以，对于初学者，我建议：理解u-boot的作用、会使用u-boot的命令，这就可以了。

如果你的工作就是修改、完善bootloader，那么再去研究它吧。

2.4 要学习Linux内核、要学习驱动程序吗

之前我们说过Linux内核 = 驱动集合 + 进程调度 + 内存管理等，如果要学习Linux内核，从驱动程序入手是一个好办法。

但是人人都要学习Linux内核、人人都要学习Linux驱动吗？显然不是。

作为初学者，懂几个简单的驱动程序，有利于工作交流；理解中断、进程、线程的概念，无论是对驱动开发、应用程序开发，都是很有好处的。

所以对于初学者，建议前期只学习这几个驱动：LED、按键、中断。

① LED驱动程序：

这是最简单的驱动程序。

② 按键驱动程序：

它也比较简单，从它引入“中断”。

③ 中断：

从“中断”它可以引入：休眠-唤醒、进程/线程、POLL机制、异步通知等概念。这些概念无论是对驱动开发，还是对应用开发，都很重要。

所以，对于初学者，我建议必须学习这几个驱动：LED、按键、中断。

入门之后，如果你想从事内核开发、驱动开发，那么可以去钻研几个驱动程序(输入系统、I2C总线、SPI总线等)，掌握若干个大型驱动程序后，你对内核的套路就有所了解了，再去研究其他部分(比如进程管理、文件系统)时你会发现套路是如此通用。

摄像头(VL42)、声卡ALSA驱动是Linux中比较复杂的2类驱动，它们是很难的，如果工作与此相关再去研究。

2.5，要学习Linux应用程序吗？先学一些基础技能

要学，即使以后你只想研究内核，一些基本的应用开发编写能力也是需要的：

① 基本设备的访问，比如LCD、输入设备

② 进程、线程、进程通信、线程同步与互斥

③ 休眠-唤醒、POLL机制、信号

④ 网络编程

①②③部分的知识，跟驱动有密切的关系，它们是相辅相承的。

掌握了基本驱动开发能力、基本应用开发能力之后，在工作中你就可以跟别人友好沟通了，不至于一脸懵逼。

2.6，应用程序是怎么启动的？要了解一下根文件系统

你辛辛苦苦写出了应用程序，怎么把它放到板子上，让它开机就自动启动？

你写的程序，它依赖于哪些库，这些库放到板子上哪个目录？

怎么做一个可升级的系统？即使升级中途断电了，也要保证程序至少还可以运行老的版本？

这些都需要我们了解一下根文件系统。

先了解一下init进程：它要读取配置文件，根据配置文件启动各个APP。

了解了init进程，你就了解了根文件系统的组成，就可以随心所欲裁剪系统，为你的项目制作出最精简的系统。

第3章 学习方法

3.1，先不要打破砂锅问到底

嵌入式涉及的东西太多太杂了，如果心里没有主线，碰到什么都要去研究个透彻，最终反而忘记自己要学什么了。

嵌入式涉及硬件知识、软件知识，软件里涉及汇编、ARM架构、C语言、Makefile、Shell；又分为bootloader、内核、驱动、基本的APP、GUI。

比如我们会用到Makefile，了解它的基本规则，会用我们提供的Makefile就可以。

不需要深入研究那些make函数，因为在工作中都有现成的Makefile给你使用，不需要自己去编写一套Makefile。何必花上好几天去深入研究它呢？

比如我们会用到bootloader，难道又要花上几个月来深入研究u-boot吗？工作中基本不需要改u-boot，会用那几个命令就可以。

甚至有些学员先去买本shell的书来学习shell命令，何必？我们在视频中用到什么命令，你不懂时再去百度一下这些命令就可以了。

不要脱离初学者的主线：应用基础、驱动基础。有了这2个基础后，你想深入研究某部分时，再去花时间吧。

3.2，思路要清晰，不怕抄代码

视频里的代码，请你一定要自己去写一次、写多次。为什么我现在写驱动那么熟？我2009年在华清远见上课时，

每次上课我都要给学生写一次那些驱动，十几次下来闭着眼睛都知道内核的套路了。

记不住那些函数？我也记不住，我都是去参考同类的驱动程序，这又不是闭卷考试。

但是要理清楚思路，你写这个程序要完成什么功能、怎么实现这些功能？这个要弄清楚。

有了思路后再写代码，不知道怎么写？没关系，看看视频，看看示例，然后关闭视频看看能否自己写出来。

3.3，对自己的方向很了解，我只能带你到这里了

我的专长是 *** 作系统，是快速地带领大家掌握一些项目开发的基础知识。

如果你决定深入研究某方面时，我并不能带你多久。你要去看源码，去看这方面的专业书籍。

比如想深入钻研内核的内存管理时，它有页表映射(你需要阅读ARM架构的手册)、SLAB分配器、vmalloc/malloc实现、mmap实现、缺页中断、父进程子进程之间的页面管理等等，内容非常多。有时候连书籍都没有，你需要直接啃代码。

当你想从事某个行业时，就需要深入研究行业相关的知识。

比如CAN总线，它可以写成一本书：CAN协议、CAN报文、Socket CAN、车身网络拓扑结构，CAN应用报文，CAN网络管理报文，CAN诊断报文。

想做物联网网关，需要深入研究MQTT，MQTT协议相对简单，但是MQTT英文原版协议有130多页，中文版有近100页，是一本小书了。

每个行业都有自己的业务逻辑，在掌握基本的编程能力之一，你需要结合具体的业务去深入学习。

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