文章目錄

• 基本概念
• • 什么是設(shè)備驅(qū)動
  • 無操作系統(tǒng)下的驅(qū)動
  • 有操作系統(tǒng)下的驅(qū)動
  • linux設(shè)備分類
  • • 字符設(shè)備
    • 塊設(shè)備
    • 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
  • 內(nèi)核的組成
  • • 源碼目錄結(jié)構(gòu)
    • 內(nèi)核主要組成部分
    • • 進(jìn)程調(diào)度SCHED
      • 內(nèi)存管理MM
      • 虛擬文件系統(tǒng)VFS
      • 網(wǎng)絡(luò)接口NET
      • 進(jìn)程間通信IPC
  • 內(nèi)核代碼命名風(fēng)格
  • GNU C對ANSI C的拓展
  • 變長數(shù)組
  • case
  • 語句表達(dá)式
  • typeof關(guān)鍵字
  • 標(biāo)號元素
  • 特殊屬性說明
  • 內(nèi)建函數(shù)
  • 工具鏈
• 環(huán)境搭建

基本概念

什么是設(shè)備驅(qū)動

計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，需要軟件和硬件的合作，沒有軟件的硬件，是一堆廢鐵，沒有硬件的軟件，是空中樓閣，軟件運(yùn)行在硬件基礎(chǔ)之上。

軟件又分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，系統(tǒng)軟件屏蔽了底層硬件的差異，向應(yīng)用層提供統(tǒng)一的接口，因而應(yīng)用層的程序員，不需要知道不同網(wǎng)卡、硬盤等硬件之間有什么差異，只需要調(diào)用相同的讀寫函數(shù)，即可完成對設(shè)備的讀寫操作。這個(gè)屏蔽具體硬件差異過程的重任，就落到了設(shè)備驅(qū)動的頭上。設(shè)備驅(qū)動程序，僅僅是系統(tǒng)軟件的一部分。

設(shè)備驅(qū)動是底層硬件和上層應(yīng)用之間的紐帶，設(shè)備驅(qū)動最通俗的解釋是：驅(qū)使硬件設(shè)備行動。設(shè)備驅(qū)動與底層硬件直接打交道，完成寄存器的讀寫等、中斷處理等等操作。

無操作系統(tǒng)下的驅(qū)動

計(jì)算機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不一定需要操作系統(tǒng)，目前stm8，stm32等主流單片機(jī)都可以直接跑裸機(jī)程序，一般認(rèn)為只需要完成main函數(shù)和中斷服務(wù)函數(shù)即可（當(dāng)然IDE也幫我們完成了很多其它的底層工作）。這樣簡單的應(yīng)用場景，并不需要操作系統(tǒng)提供的多任務(wù)調(diào)度，內(nèi)存管理，文件系統(tǒng)等功能。

雖然沒有操作系統(tǒng)，但是并不意味著沒有驅(qū)動程序。一般情況下，每一個(gè)硬件設(shè)備，都對應(yīng)了一個(gè).c和.h文件，例如EEPROM芯片AT24C04，在程序中肯定會對該芯片多次的進(jìn)行讀寫操作，為了方便，肯定會將這些重復(fù)使用的代碼實(shí)現(xiàn)為函數(shù)，加入到整個(gè)工程之中，這些代碼，也可以稱之為驅(qū)動。只不過這些驅(qū)動程序的接口直接提供給應(yīng)用層，應(yīng)用層沒有跨越任何層次，就直接訪問到了底層硬件。

有操作系統(tǒng)下的驅(qū)動

驅(qū)動程序?qū)儆趦?nèi)核的一部分，內(nèi)核是操作系統(tǒng)最核心的部分，它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，因此驅(qū)動程序要按照內(nèi)核的規(guī)定的格式和提供的接口來寫。

在有操作系統(tǒng)的情況下，驅(qū)動程序其實(shí)是連接硬件和內(nèi)核的一個(gè)橋梁，操作系統(tǒng)的存在，讓驅(qū)動程序增加了很多代碼，操作系統(tǒng)就是通過給驅(qū)動程序編寫者制造麻煩，達(dá)到方便應(yīng)用開發(fā)者的目的。

linux設(shè)備分類

驅(qū)動設(shè)備針對的存儲器和外設(shè)，而不是針對cpu內(nèi)核，linux系統(tǒng)將存儲器和外設(shè)分為三大類：

• 字符設(shè)備
• 塊設(shè)備
• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

字符設(shè)備

字符設(shè)備指那些必須以串行順序依次進(jìn)行訪問（字符流）的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、串口等，系統(tǒng)虛擬出一個(gè)文件，對該文件調(diào)用讀寫函數(shù)（read、write）即可完成對字符設(shè)備的操作

塊設(shè)備

系統(tǒng)可以隨機(jī)訪問快設(shè)備，以塊為單位進(jìn)行操作，如硬盤、FLASH、CD-ROM等，系統(tǒng)虛擬出一個(gè)文件，或者在塊設(shè)備上建立文件系統(tǒng)，對這些文件調(diào)用讀寫函數(shù)（read、write）即可完成對塊設(shè)備的操作

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常指有線網(wǎng)卡、無線網(wǎng)卡等，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備面向數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送而設(shè)計(jì)，與字符設(shè)備和塊設(shè)備不同，網(wǎng)絡(luò)通信主要依靠套接字接口

內(nèi)核的組成

源碼目錄結(jié)構(gòu)

Linux 內(nèi)核源代碼包含如下目錄。

• arch ：包含和硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼，每種平臺占一個(gè)相應(yīng)的目錄，如 i386、arm、
  arm64、powerpc、mips 等。Linux 內(nèi)核目前已經(jīng)支持 30 種左右的體系結(jié)構(gòu)。在 arch
  目錄下，存放的是各個(gè)平臺以及各個(gè)平臺的芯片對 Linux 內(nèi)核進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、
  中斷等的支持，以及每個(gè)具體的 SoC 和電路板的板級支持代碼。
• block：塊設(shè)備驅(qū)動程序 I/O 調(diào)度。
• crypto：常用加密和散列算法（如 AES、SHA 等），還有一些壓縮和 CRC 校驗(yàn)算法。
• documentation：內(nèi)核各部分的通用解釋和注釋。
• drivers ：設(shè)備驅(qū)動程序，每個(gè)不同的驅(qū)動占用一個(gè)子目錄，如 char、block、net、
  mtd、i2c 等。
• fs：所支持的各種文件系統(tǒng)，如 EXT、FAT、NTFS、JFFS2 等。
• include：頭文件，與系統(tǒng)相關(guān)的頭文件放置在 include/linux 子目錄下。
• init：內(nèi)核初始化代碼。著名的 start_kernel() 就位于 init/main.c 文件中。
• ipc：進(jìn)程間通信的代碼。
• kernel ：內(nèi)核最核心的部分，包括進(jìn)程調(diào)度、定時(shí)器等，而和平臺相關(guān)的一部分代碼
  放在 arch/*/kernel 目錄下。
• ib：庫文件代碼。
• mm：內(nèi)存管理代碼，和平臺相關(guān)的一部分代碼放在 arch/*/mm 目錄下。
• net：網(wǎng)絡(luò)相關(guān)代碼，實(shí)現(xiàn)各種常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
• scripts：用于配置內(nèi)核的腳本文件。
• security：主要是一個(gè) SELinux 的模塊。
• sound：ALSA、OSS 音頻設(shè)備的驅(qū)動核心代碼和常用設(shè)備驅(qū)動。
• usr：實(shí)現(xiàn)用于打包和壓縮的 cpio 等。
• include：內(nèi)核 API 級別頭文件。

內(nèi)核主要組成部分

進(jìn)程調(diào)度SCHED

進(jìn)程調(diào)度控制系統(tǒng)使得多個(gè)進(jìn)程在CPU的中微觀上分時(shí)執(zhí)行，宏觀上并發(fā)執(zhí)行
進(jìn)程整體上可以分為五種狀態(tài)：

• 就緒態(tài)：資源準(zhǔn)備就緒，等待系統(tǒng)調(diào)用該進(jìn)程
• 執(zhí)行態(tài)：當(dāng)前CPU正在執(zhí)行該進(jìn)程
• 睡眠態(tài)：等待其它進(jìn)程釋放資源
• 暫停態(tài)：停止執(zhí)行，等待某種信號
• 僵尸態(tài)：進(jìn)程已死，資源未釋放

內(nèi)存管理MM

內(nèi)存管理的主要作用是控制多個(gè)進(jìn)程安全地共享主內(nèi)存區(qū)域。當(dāng)CPU提供內(nèi)存管理單元（MMU）時(shí)，Linux內(nèi)存管理對每個(gè)進(jìn)程提供虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換

每個(gè)進(jìn)程擁有虛擬的4G內(nèi)存空間，其中3G是用戶空間，是屬于進(jìn)程私有的，1G是內(nèi)核空間，是所有進(jìn)程共享的

虛擬文件系統(tǒng)VFS

用戶通過虛擬文件系統(tǒng)，對文件進(jìn)行操作，即可達(dá)到訪問硬件的目的，虛擬文件系統(tǒng)隱藏了硬件差異，向上為用戶提供統(tǒng)一的接口，向下調(diào)用驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的file_operations結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)

網(wǎng)絡(luò)接口NET

網(wǎng)絡(luò)接口提供了對各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的存取和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的支持。在 Linux中網(wǎng)絡(luò)接口可分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備通信，每一種可能的硬件設(shè)備都有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。

進(jìn)程間通信IPC

Linux支持進(jìn)程間通信的多種機(jī)制，包括信號量、共享內(nèi)存、消息隊(duì)列、管道、套接字等。利用這些機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步、互斥和消息傳遞。

內(nèi)核代碼命名風(fēng)格

與windows下流行的編程命名風(fēng)格不同，linux社區(qū)形成了自己的一套風(fēng)格

#define PI 3.1415926 int min_value, max_value; void send_data(void);

• 宏：大寫
• 變量：全部小寫，單詞之間以下劃線分隔
• 函數(shù)：同變量
• 縮進(jìn)：tab鍵
• 括號{}：
  1.if、for、switch、while、else、else if { 不會另起一行
  2.函數(shù)的 { 需要另起一行
  3.只有一行代碼，不要用括號{}
• switch：switch、case、default關(guān)鍵字左對齊

GNU C對ANSI C的拓展

Linux使用的C編譯器是GNU C編譯器，對標(biāo)準(zhǔn)C進(jìn)行了一系列拓展，增強(qiáng)C的功能

變長數(shù)組

GNU C可以使用0長度數(shù)組，也可以使用變量定義數(shù)組長度

struct var_data { int len; char data[0]; };int n=10; int array[n];

其實(shí)也就是C99中新增加的伸縮數(shù)組和變長數(shù)組的概念

伸縮的意思是，比如定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，可以讓其成員擁有不固定的長度，因此用sizeof去求該結(jié)構(gòu)體類型，會忽略掉不固定的部分，而實(shí)際定義的時(shí)候，一般需要用malloc進(jìn)行內(nèi)存分配

變長數(shù)組不是指數(shù)組的長度在程序運(yùn)行期間可變，而是指定義時(shí)可以利用變量，對長度進(jìn)行說明，一旦定義了一個(gè)數(shù)組，其長度就不能變了

case

GNU C 支持 case x…y 這樣的語法，區(qū)間 [x,y] 中的數(shù)都會滿足這個(gè) case 的條件

switch (ch) { case '0'... '9': c -= '0'; break; case 'a'... 'f': c -= 'a' - 10; break; case 'A'... 'F': c -= 'A' - 10; break; }

語句表達(dá)式

GNU C 把包含在括號中的復(fù)合語句看成是一個(gè)表達(dá)式，稱為語句表達(dá)式，它可以出現(xiàn)在任何允許表達(dá)式的地方。我們可以在語句表達(dá)式中使用原本只能在復(fù)合語句中使用的循環(huán)、局部變量等，

typeof關(guān)鍵字

typeof(x) 語句可以獲得 x 的類型，可以方便一些宏的實(shí)現(xiàn)，例如求兩數(shù)中較大的值
# define max(a,b) ...
具體實(shí)現(xiàn)中，需要先判斷傳入數(shù)據(jù)的類型，此處可以通過typeof進(jìn)行判斷

標(biāo)號元素

C99標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)增加了標(biāo)號元素的使用，也就是數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等初始化過程不需要按順序來，可以隨意指定，例如：

int a[10] = {[1] = 2,[3] = 5,0, }

在Linux內(nèi)核代碼中，推薦以下格式進(jìn)行初始化：

struct file_operations ext2_file_operations = {.llseek = generic_file_llseek,.read = generic_file_read,... };

特殊屬性說明

GNU C 允許聲明函數(shù)、變量和類型的特殊屬性，以便手動優(yōu)化代碼和定制代碼檢查的方法。要指定一個(gè)聲明的屬性，只需要在聲明后添加_ _attribute_ _ (( ATTRIBUTE ))。

其中 ATTRIBUTE 為屬性說明，如果存在多個(gè)屬性，則以逗號分隔。GNU C 支持 noreturn、format、section、aligned、packed 等十多個(gè)屬性

• noreturn 屬性作用于函數(shù)，表示該函數(shù)從不返回。這會讓編譯器優(yōu)化代碼，并消除不必要的警告信息
• format 屬性也用于函數(shù)，表示該函數(shù)使用 printf、scanf 或 strftime 風(fēng)格的參數(shù)，指定format 屬性可以讓編譯器根據(jù)格式串檢查參數(shù)類型
• unused 屬性作用于函數(shù)和變量，表示該函數(shù)或變量可能不會用到，這個(gè)屬性可以避免編譯器產(chǎn)生警告信息
• aligned 屬性用于變量、結(jié)構(gòu)體或聯(lián)合體，指定變量、結(jié)構(gòu)體或聯(lián)合體的對齊方式，以字節(jié)為單位
• packed 屬性作用于變量和類型，用于變量或結(jié)構(gòu)體成員時(shí)表示使用最小可能的對齊，用于枚舉、結(jié)構(gòu)體或聯(lián)合體類型時(shí)表示該類型使用最小的內(nèi)存

內(nèi)建函數(shù)

內(nèi)建函數(shù)是編譯器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，這些函數(shù)可以直接使用，無須聲明或者添加頭文件，不屬于標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)的內(nèi)建函數(shù)通常以_ _builtin開頭，還有一小部分內(nèi)建函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)同名，不過編譯器做了優(yōu)化或者重構(gòu)。

工具鏈

最方便的就是直接下載已經(jīng)編譯好的工具鏈，目前最常用的是Linaro提供的，可以在下面的網(wǎng)址進(jìn)行下載

http://www.linaro.org/downloads/

Linaro 是 ARM Linux 領(lǐng)域中最著名最具技術(shù)成就的開源組織，其會員包括 ARM、Broadcom、Samsung、TI、Qualcomm 等，國內(nèi)的海思、中興、全志和中國臺灣的 MediaTek 也是它的會員

工具鏈包含了很多程序，例如arm-linux-gnueabihf-gcc
下面介紹一下常用的幾種

• gcc：編譯C源碼
• g++：編譯C++源碼
• gdb：調(diào)試
• strip：刪除符號表和調(diào)試信息，縮減可執(zhí)行文件的體積
• objdump：反匯編
• ld：鏈接器
• gprof：檢查函數(shù)被調(diào)用的次數(shù)和時(shí)間
• nm：顯示符號信息
• readelf：查看ELF格式文件信息
• addr2line：將指令的地址和可執(zhí)行映像轉(zhuǎn)換為文件名、函數(shù)名和源代碼行數(shù)的工具

環(huán)境搭建

練習(xí)驅(qū)動程序開發(fā)，最好的方式是虛擬機(jī)+qemu，不需要額外購買開發(fā)板，具體搭建的過程可以參考我之前的博客

https://blog.csdn.net/whitefish520/article/details/103850361

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux设备驱动（一）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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