• 9.1 Linux设备驱动程序简介

• 系统调用：是操作系统内核（Linux系统内核）和应用程序之间 的接口。

• 设备驱动程序：是操作系统内核（Linux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，在 应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以向 操作普通文件一样对硬件设备进行操作。

• 设备驱动程序是内核的一部分，完成以下功能：

① 对设备的初始化和释放；

② 把数据从内核传送到硬件，和从硬件读取数据到内核；

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；这需要在用户空间、内核空间、总线以及外设之间 传输数据；

④ 检测和处理设备出现的错误。

• 设备驱动程序与应用程序的区别：

① 应用程序一般有一个main函数，从头到尾执行一个任务。

② 设备驱动程序却不同，它没有main函数，通过使用宏module_init()，将 初始化函数加入内核全局初始化函数列表中，在内核初始化时执行驱 动的初始化函数，从而完成驱动的初始化和注册，之后驱动便停止等 待被应用软件调用；驱动程序中有一个宏module_exit()注册退出处理 函数，它在驱动退出时被调用。

③ 应用程序可以和GLIBC 库连接，因此可以包含标准的头文件，比如<stdio.h>、<stdlib.h>。

④ 在设备驱动程序中是不能使用标准C 库的，因此不能调用所有的C 库函 数，比如输出打印函数只能使用内核的printk函数，包含的头文件只能 是内核的头文件，比如<linux/module.h>。

• Linux 的设备驱动程序开发调试有两种方法：

① 一种是直接编译到内核，再运行新的内核来测试；

② 二是编译为模块的形式，单独加载运行调试。

• 第一种方法（直接编译到内核）效率较低，但在某些场合是唯 一的方法。

• 第二种方式（编译为模块——模块方式）调试效率很高，它使 用insmod命令将编译的模块直接插入内核；如果出现故障，可 以使用rmmod命令从内核中卸载模块；不需要重新启动内核， 这使驱动调试效率大大提高。lsmod命令为查看模块。 insmod character.ko   rmmodcharacter

• 9.1.1 设备的分类

– 字符设备：无须缓冲直接读写的设备，如串口等设备。

– 块设备：通过缓冲区进行（缓冲区通常为系统内存）， 只能以块为单位进行读写，块大小可以是512B或1024B， 如硬盘等设备。

– 网络设备：可以通过BSD套接口访问。

• BSD（Berkeley Software Distribution，伯克利软件套件）是Unix的 衍生系统，在1977至1995年间由加州大学伯克利分校开发和发布的。

• 9.1.2 设备文件

– Linux抽象了对硬件的处理，所有的硬件设备都可以作为普通文件一样对 待，可以使用标准的系统调用接口来完成对设备的打开（open）、关闭 （close）、读写（read、write）和I/O控制操作（ioctl），驱动程序的主 要任务是实现这些系统调用函数。

• fd= open(/dev/character_device, O_RDWR);//打开设备文件

• close(fd);//关闭设备文件

• ret = write(fd,"APP test",8);//写操作

• ret = read(fd, buf, 5);//读操作

• ret = ioctl(fd,'a',0); //ioctl 操作

– Linux系统中所有的硬件设备都使用一个特殊的设备文件（设备名）来表 示，如：

• 基于GPIO的LED灯：/dev/leds_ctl

• 蜂鸣器：/dev/buzzer_ctl

• 按键：/dev/farsight_keys

• 直流电机：/dev/dc_motor

– 对用户来说，设备文件和普通文件并无区别

– 查看设备文件命令：ls -l /de

• 9.1.3 主设备号和次设备号

– 主设备号：标识该设备的种类，也标识了该设备所使用的驱动程序，主设备号在/proc/devices文件中查看

• 查看主设备号命令：cat /proc/devices

– 次设备号：标识使用同一设备驱动程序的不同硬件设备

– 创建设备文件的命令：mknod /dev/lp0 c 6 0

• /dev/lp0：设备名

• c：表示字符设备（b：表示块设备）

• 6：主设备号

• 0：次设备号

• 9.1.4 Linux设备驱动代码的分布

– 实验箱的所有设备驱动位于Ubuntu的： /home/linux/workdir/fs3399/system/kernel/drivers/目录下

• char：字符设备驱动

• block：块设备驱动

• pci：PCI驱动

• scsi：SCSI驱动

• net：网络驱动

• 9.1.5 Linux设备驱动程序的特点

① 内核代码：设备驱动是内核代码的一部分。

② 内核接口：设备驱动必须为Linux内核提供一个标准接口。

③ 内核机制与服务：设备驱动可以使用标准的内核服务，如内存 分配、中断和等待队列等。

④ 可加载：可以在需要的时候加载到内核（insmod），在不需要 的时候从内核中卸载（rmmod）。

⑤ 可配置：设备驱动程序可以集成为内核的一部分，在编译内核 时，可以选择把哪些驱动程序直接集成到内核里。

⑥ 动态性：系统启动或设备驱动初始化后，驱动程序将维护其控 制的设备，即使该设备不存在，也不会影响整个系统的运行。

• 9.2 设备驱动程序结构

• Linux设备驱动程序与外界的接口分为以下三部分：

① 驱动程序与Linux操作系统内核的接口

② 驱动程序与系统引导的接口

③ 驱动程序与设备的接口

• Linux设备驱动程序的代码结构包括：

① 驱动程序的注册与注销

② 设备的打开与释放

③ 设备的读写操作

④ 设备的控制操作

⑤ 设备的中断和轮询处理

• 9.2.1 驱动程序的注册与注销

– 注册：赋予设备一个主设备号

• 字符设备（chr）：register_chrdev_region()函数

– 例如：retval= register_chrdev_region(devt,1,DRVNAME);

• 块设备（blk）：register_blkdev_region()函数

– 注销：释放占用的主设备号

• 字符设备：unregister_chrdev_region()函数

– 例如：unregister_chrdev_region(devnum,1);

• 块设备：unregister_blkdev_region()函数

• 9.2.2 设备的打开与释放

– file_operations结构体：设备文件操作结构体

– 设备的打开：通过调用file_operations结构体中的open()函数完成

• 例如：fd= open(“/dev/dc_motor”, O_RDWR); //打开直流电机

– 设备的释放（关闭）：通过调用file_operations结构体中的release()函数 完成（有时也称为close()函数）

• 例如：close(fd); //关闭直流电机

• 9.2.3 设备的读写操作

– 设备的读操作：通过调用file_operations结构体中的read()函数完成

• 字符设备：read()函数

– 例如：ret = read(fd, buf, 5);

• 块设备：block_read() //字符设备character的读操作

– 设备的写操作：通过调用file_operations结构体中的write()函数完成

• 字符设备：write()函数

– 例如：ret = write(fd,"APP test",8);

• 块设备：block_write()函数

• 9.2.4 设备的控制操作

• 设备的控制操作：通过调用file_operations结构体中的ioctl()函数 完成

• 例如，使RS-485处于发送模式或接收模式：

• ret = ioctl(fd,'a',0);         //字符设备character的ioctl操作

• ret = ioctl(fd,'b',0);         //字符设备character的ioctl操作

• 9.2.5 设备的轮询和中断处理

– 轮询方式（查询方式）：对于不支持中断的硬件设备，读写时需 要轮流查询设备状态，以便决定是否继续进行数据传输

• 轮询设备驱动可以通过使用系统定时器，使内核周期性的调用设备 驱动中的某个例程来检查设备状态

– 中断方式：内核负责把硬件产生的中断传递给相应的设备驱动

• 在/proc/interrupts文件中可以看到设备驱动所对应的中断号及类型

• 查询中断号的命令：cat /proc/interrupts

• 9.3 Linux内核设备模型

• 9.3.1 设备模型建立的目的

– 内核设备模型是为了适应系统拓扑结构越来越复杂，对电源管理、 热插拔支持要求越来越高等形势下开发的全新的设备模型，它采 用sysfs文件系统，其作用是将系统中的设备组织成层次结构，然 后向用户程序提供内核数据结构信息。

– 设备模型提供独立的机制表示设备，并表示其在系统中的拓扑结 构。

• 9.3.2 sysfs——设备拓扑结构的文件系统表 现

–将设备结构树导出为一个文件系统，即sysfs文件系统，sysfs文件 系统挂载在“/sys”目录下

–“/sys/devices”目录将设备模型导出到用户空间，其目录结构就 是系统中实际的设备拓扑结构

• 9.3.3 驱动模型和sysfs

– Linux 设备驱动模型的基本元素是：

① 总线类型（总线结构）：bus ，位于/sys/bus

② 设备（设备结构）：devices ，位于/sys/devices

③ 设备类别（设备类结构）：class，位于/sys/class

④ 设备驱动（驱动结构）：drivers ，例如，USB设备的驱动位于 /sys/bus/usb/drivers

• 9.3.4 platform总线

– platform总线（平台总线）是Linux内核中的一个虚拟总线，使设 备的管理更加简单化，目前大部分的驱动都是用platform总线来 写的。

– platform总线分为以下几个部分：

① platform_bus ② platform_device ③ platform_driver

• 9.4 内存映射和管理

• 9.4.1 物理地址映射到虚拟地址

– 在内核中访问I/O内存（I/O与内存统一编制，访问I/O就像访问内 存一样）之前，我们只有I/O内存的物理地址，这样是无法通过软 件直接访问的，需要首先用ioremap()函数将设备所处的物理地址 映射到内核虚拟地址空间（3GB~4GB），然后，才能根据映射所 得到的内核虚拟地址范围，通过访问指令访问这些I/O内存资源。

        • void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags)

                – phys_addr：要映射的起始的I/O地址

                – size：要映射的空间的大小

                – flags：要映射的I/O空间的和权限有关

• 9.4.2 内核空间映射到用户空间

– 使用mmap系统调用，可以将内核空间的地址映射到用户空间

        • void* mmap(void* start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

        • int(* mmap)(structfile*filp, struct vm_area_struct *vma);

                – 查看设备内存是如何映射的：cat /proc/iomem