對于Linux的驅(qū)動程序，需要遵循一定的框架結(jié)構(gòu)。嵌入式Linux的學習其實并不難，只要深入理解Linux的框架，寫起來也可以得心應手。

1.linux函數(shù)調(diào)用過程

1.1 系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用的意義

在Linux的中，有一個思想比較重要：一切皆文件。

也就是說，在應用程序中，可以通過open，write，read等函數(shù)來操作底層的驅(qū)動。

比如操作led，函數(shù)如下

//點燈 fd1 = open("/dev/led",O_RDWR);
write(fd1,&val,4); //寫文本文件 fd2 = open("hello.txt",O_RDWR)
write(fd2,&val,4);

一般的，進程是不能訪問內(nèi)核的。它不能訪問內(nèi)核所占內(nèi)存空間也不能調(diào)用內(nèi)核函數(shù)。CPU硬件決定了這些（這就是為什么它被稱作"保護模式"）。為了和用戶空間上執(zhí)行的進程進行交互，內(nèi)核提供了一組接口。透過該接口，應用程序能夠訪問問硬件設備和其它操作系統(tǒng)資源。這組接口在應用程序和內(nèi)核之間扮演了使者的角色，應用程序發(fā)送各種請求。而內(nèi)核負責滿足這些請求(或者讓應用程序臨時擱置)。

實際上提供這組接口主要是為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。避免應用程序肆意妄行，惹出大麻煩。

下面是printf()串口打印調(diào)用的過程。

1.2 系統(tǒng)函數(shù)的調(diào)用過程

當應用程序調(diào)用open,read,write等函數(shù)時，最終會調(diào)用驅(qū)動中的fopen,fwrite,fread等函數(shù)。其過程如下

1.當應用程序調(diào)用open，read，ioctl等函數(shù)(C庫)時，會觸發(fā)一個系統(tǒng)異常SWI。

2.當觸發(fā)異常時，會進入到內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用接口(system call interface)，會調(diào)用sys_open,sys_read,sys_write。

3.然后會進入虛擬文件系統(tǒng)(VFS)virtual filesystem。

4.最后進入到驅(qū)動函數(shù)的open，read，write函數(shù)，read函數(shù)的本質(zhì)就是copy_to_user,而write函數(shù)就是copy_from_user。

1.3 用戶空間與內(nèi)核空間

Linux的操作系統(tǒng)分為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)，內(nèi)核態(tài)完成與硬件的交互，比如讀寫內(nèi)存，硬件操作等。用戶態(tài)運行上層的程序，比如Qt等。分成這兩種狀態(tài)的原因是即使應用程序出現(xiàn)異常，也不會使操作系統(tǒng)崩潰。

值得注意的是，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)是可以互相轉(zhuǎn)換的。每當應用程序執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用或者被硬件中斷掛起時，Linux操作系統(tǒng)都會從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài);當系統(tǒng)調(diào)用完成或者中斷處理完成后，操作系統(tǒng)會從內(nèi)核態(tài)返回到用戶態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行應用程序。

2.驅(qū)動程序的框架

在理解設備框架之前，首先要知道驅(qū)動程序主要做了以下幾件事

1.將此內(nèi)核驅(qū)動模塊加載到內(nèi)核中

2.從內(nèi)核中將驅(qū)動模塊卸載

3.聲明遵循的開源協(xié)議

2.1 Linux下的設備

Linux下分成三大類設備：

字符設備：字符設備是能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設備。一般來說對硬件的IO操作可歸結(jié)為字符設備。常見的字符設備有l(wèi)ed，蜂鳴器，串口，鍵盤等等。包括lcd與攝像頭驅(qū)動都屬于字符設備驅(qū)動。

塊設備：塊設備是通過內(nèi)存緩存區(qū)訪問，可以隨機存取的設備，一般理解就是存儲介質(zhì)類的設備，常見的字符設備有U盤，TF卡，eMMC，電腦硬盤，光盤等等

網(wǎng)絡設備：可以和其他主機交換數(shù)據(jù)的設備，主要有以太網(wǎng)設備，wifi，藍牙等。

字符設備與塊設備驅(qū)動程序的區(qū)別與聯(lián)系

1.字符設備的最小訪問單元是字節(jié)，塊設備是塊字節(jié)512或者512字節(jié)為單位

2.訪問順序上面，字符設備是順序訪問的，而塊設備是隨機訪問的

3.在linux中，字符設備和塊設備訪問字節(jié)沒有本質(zhì)區(qū)別

網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序的本質(zhì)

提供了協(xié)議與設備驅(qū)動通信的通用接口。

簡單的說，對于字符設備驅(qū)動就是可以按照先后順序訪問，不能隨機訪問，比如LCD，camera，UART等等，這些是字符設備的代表。對于I2C也劃分為字符設備驅(qū)動程序，也可以細分為總線設備驅(qū)動程序。塊設備驅(qū)動程序就是可以隨機訪問的緩沖區(qū)。

2.2 驅(qū)動程序框架的一個例子

對于一個驅(qū)動程序，如果想讓內(nèi)核知道，就準守一定的框架，下面來看一下一個最簡單的驅(qū)動程序的框架

#include  #include  //驅(qū)動程序入口函數(shù) static int test_init(void) {
 printk("---Add---\n"); return 0;
} //驅(qū)動函數(shù)出口函數(shù) static void test_exit(void) {
 printk("---Remove---\n");
} //告訴內(nèi)核，入口函數(shù) module_init(test_init); //告訴內(nèi)核，出口函數(shù) module_exit(test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL"); //GPL GNU General Public License MODULE_AUTHOR("ZFJ"); //作者 

如果要將上面的源碼編譯成驅(qū)動程序，還需要寫Makefile程序

obj-m:=test.o
KDIR:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD:=$(shell pwd)

default:
 $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
 rm -rf .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions *.order *symvers *Module.markers

其中需要解釋一下的是

$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

該命令是make modules命令的擴展，-C選項的作用是指將當前的工作目錄轉(zhuǎn)移到指定目錄，即（KDIR）目錄，程序到（shell pwd）當前目錄查找模塊源碼，將其編譯，生成.ko文件。

生成的.ko文件就是驅(qū)動程序，如果要將當前的驅(qū)動程序插入到內(nèi)核中，可以在控制臺輸入

sudo insmod test.ko 

該命令會執(zhí)行test_init函數(shù)。如果要查看內(nèi)核打印信息，可輸入dmesg。用lsmod可查看目前掛載的驅(qū)動程序。

如果要移除當前的驅(qū)動程序，可調(diào)用

sudo rmmod test 

該函數(shù)會執(zhí)行test_exit函數(shù)。

3.字符設備驅(qū)動程序解析

字符設備在Linux驅(qū)動中起到十分關(guān)鍵的作用。包括我們要實現(xiàn)的LCD驅(qū)動以及CAM驅(qū)動都屬于字符設備驅(qū)動。所以現(xiàn)在主要分析一下字符設備驅(qū)動程序的框架。

3.1 基本概念

對于了解字符設備驅(qū)動程序，需要知道的問題

(1)應用程序、庫、內(nèi)核、驅(qū)動程序的關(guān)系

應用程序調(diào)用函數(shù)庫，通過文件的操作完成一系列的功能。作為Linux特有的抽象方式，將所有的硬件抽象成文件的讀寫。

(2)設備類型

字符設備、塊設備、網(wǎng)絡設備

(3)設備文件、主設備號、從設備號

有了設備類型的劃分，還需要進行進一步明確。所以驅(qū)動設備會生成字符節(jié)點，以文件的方式存放在/dev目錄下，操作時可抽象成文件操作即可。每個設備節(jié)點有主設備號和次設備號，用一個32位來表示，前12位表示主設備號，后20位表示次設備號。例如"/dev/fb0","/dev/fb1"或者"/dev/tty1","/dev/tty2"等等。

3.2 創(chuàng)建流程

第一步：寫出驅(qū)動程序的框架

前面在創(chuàng)建驅(qū)動程序的框架時，只是測試了安裝與卸載驅(qū)動，并且找到驅(qū)動程序的入口與出口。并沒有一個字符設備操作的接口。作為一個字符設備驅(qū)動程序，其open,read,write等函數(shù)是必要的。但是最開始還是要實現(xiàn)一個驅(qū)動程序的入口與出口函數(shù)。

#include  #include  static int __init dev_fifo_init() { return 0;
} static void __exit dev_fifo_exit() {
}
module_init(dev_fifo_init);
module_exit(dev_fifo_exit);

MODULE_LICENSE("Dual DSB/GPL");
MODULE_AUTHOR("ZHAO");

第二步：在驅(qū)動入口函數(shù)中申請設備號

一個字符設備或者塊設備都有一個主設備號和次設備號。主設備號和次設備號統(tǒng)稱為設備號。主設備號用來表示一個特定的驅(qū)動程序。次設備號用來表示使用該驅(qū)動程序的各設備。

//設備號 : 主設備號(12bit) | 次設備號(20bit) dev_num = MKDEV(MAJOR_NUM, 0); //靜態(tài)注冊設備號 ret = register_chrdev_region(dev_num,1,"dev_fifo"); if(ret < 0)
{ //靜態(tài)注冊失敗，進行動態(tài)注冊設備號 ret = alloc_chrdev_region(&dev_num,0,1,"dev_fifo"); if(ret < 0)
 {
 printk("Fail to register_chrdev_region\n"); goto err_register_chrdev_region;
 }
}

靜態(tài)分設備號的函數(shù)原型

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

1：第一個參數(shù)：要分配的設備編號范圍的初始值, 這組連續(xù)設備號的起始設備號, 相當于register_chrdev（）中主設備號

2：第二個參數(shù)：連續(xù)編號范圍.   是這組設備號的大?。ㄒ彩谴卧O備號的個數(shù)）

3：第三個參數(shù)：編號相關(guān)聯(lián)的設備名稱. (/proc/devices); 本組設備的驅(qū)動名稱

其中動態(tài)分配的函數(shù)原型

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

1：這個函數(shù)的第一個參數(shù)，是輸出型參數(shù)，獲得一個分配到的設備號?？梢杂肕AJOR宏和MINOR宏，將主設備號和次設備號，提取打印出來，看是自動分配的是多少，方便我們在mknod創(chuàng)建設備文件時用到主設備號和次設備號。  mknod /dev/xxx c 主設備號 次設備號

2：第二個參數(shù)：次設備號的基準，從第幾個次設備號開始分配。

3：第三個參數(shù)：次設備號的個數(shù)。

4：第四個參數(shù)：驅(qū)動的名字

由于每個設備只有一個主設備號，所以如果用靜態(tài)分配設備號時，有可能會導致分配不成功，所以采用動態(tài)分配的方式。

注意，在入口函數(shù)中注冊，那么一定要記得在驅(qū)動出口函數(shù)中釋放

//釋放申請的設備號 unregister_chrdev_region(dev_num, 1);

第三步：創(chuàng)建設備類

這一步會在/sys/class/dev_fifo下創(chuàng)建接口

sysfs 文件系統(tǒng)總是被掛載在 /sys 掛載點上。雖然在較早期的2.6內(nèi)核系統(tǒng)上并沒有規(guī)定 sysfs 的標準掛載位置，可以把 sysfs 掛載在任何位置，但較近的2.6內(nèi)核修正了這一規(guī)則，要求 sysfs 總是掛載在 /sys 目錄上。

//創(chuàng)建設備類 cls = class_create(THIS_MODULE, "dev_fifo"); if(IS_ERR(cls))
{
 ret = PTR_ERR(cls); goto err_class_create;
}

第四步：初始化字符設備

在這一步中，會初始化一個重要的結(jié)構(gòu)體，file_operations。

//初始化字符設備 cdev_init(&gcd->cdev,&fifo_operations);

該函數(shù)的原型為

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

第一個參數(shù)時字符設備結(jié)構(gòu)體，第二個參數(shù)為操作函數(shù)

Linux使用file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序的函數(shù)，這個結(jié)構(gòu)的每一個成員的名字都對應著一個調(diào)用。

用戶進程利用在對設備文件進行諸如read/write操作的時候，系統(tǒng)調(diào)用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅(qū)動程序，然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)，這是Linux的設備驅(qū)動程序工作的基本原理。

通常來說，字符設備驅(qū)動程序經(jīng)常用到的5種操作

struct file_operations { ssize_t (*read)(struct file *，char *, size_t, loff_t *);//從設備同步讀取數(shù)據(jù) ssize_t (*write)(struct file *,const char *, size_t, loff_t *); int (*ioctl) (struct  inode *,  struct file *, unsigned int, unsigned long);//執(zhí)行設備IO控制命令 int (*open) (struct inode *, struct file *);//打開 int (*release)(struct inode *, struct file *);//關(guān)閉 };

第五步：添加設備到用戶操作系統(tǒng)

//添加設備到操作系統(tǒng) ret = cdev_add(&gcd->cdev,dev_num,1); if (ret < 0)
{ goto err_cdev_add;
}

函數(shù)原型為

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

第一個參數(shù)為cdev 結(jié)構(gòu)的指針

第二個參數(shù)為設備起始編號

第三個參數(shù)為設備編號范圍

這一步的含義在于將字符設備驅(qū)動加入到操作系統(tǒng)的驅(qū)動數(shù)組中。當應用程序調(diào)用open函數(shù)時，會首先找到該設備的設備號，然后根據(jù)這個設備號找到相應file_operations。調(diào)用其中的open以及讀寫函數(shù)。

第六步：導出設備信息到用戶空間

//導出設備信息到用戶空間(/sys/class/類名/設備名) device = device_create(cls,NULL,dev_num,NULL,"dev_fifo%d",0); if(IS_ERR(device)){
 ret = PTR_ERR(device);
 printk("Fail to device_create\n"); goto err_device_create; 
}

函數(shù)原型

struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...) 

第一個參數(shù)：struct class  指針，必須在本函數(shù)調(diào)用之前先被創(chuàng)建

第二個參數(shù)：該設備的parent指針。

第三個參數(shù)：字符設備的設備號，如果dev_t不是0,0的話，1個”dev”文件將被創(chuàng)建。

第四個參數(shù)：被添加到該設備回調(diào)的數(shù)據(jù)。

第五個參數(shù)：設備名字。

之前寫的字符類設備驅(qū)動，沒有自動創(chuàng)建設備節(jié)點，因為只使用了register_chrdev（）函數(shù)，只是注冊了這個設備。然后在系統(tǒng)啟動后，就要自己創(chuàng)建設備節(jié)點mknod，這樣雖然是可行的，但是比較麻煩。于是想在init函數(shù)里面，自動創(chuàng)建設備節(jié)點。

創(chuàng)建設備節(jié)點使用了兩個函數(shù)  class_create()和class_device_create()，當然在exit（）函數(shù)里，要使用class_destory()和class_device_desotry()注銷創(chuàng)建的設備節(jié)點！。

需要注意的是要使用該函數(shù)自動生成節(jié)點，內(nèi)核版本至少在Linux2.6.32 。

到這里，一個字符設備驅(qū)動程序的基本流程就完成了。編譯好驅(qū)動程序，然后安裝到Linux中，用insmod加載模塊。可以在/dev/dev_fifo0看到自己創(chuàng)建的設備節(jié)點。相關(guān)源代碼可參考附錄。

4. 總結(jié)

Linux將所有的設備都抽象成文件，這樣的操作接口比較的統(tǒng)一，也給開發(fā)帶來很大的方便。通過將寫好的驅(qū)動程序裝載到內(nèi)核可見的區(qū)域，使得內(nèi)核感知到模塊的存在，然后用戶空間才能通過系統(tǒng)調(diào)用聯(lián)系到驅(qū)動，從而完成它的任務。

寫驅(qū)動程序需要按照一定的步驟，首先申明驅(qū)動的入口和出口，然后注冊設備號。接著填充file_operations結(jié)構(gòu)體。引用程序通過調(diào)用open,read,或者write函數(shù)，最終調(diào)用到file_operations的open,read或者write函數(shù)，從而實現(xiàn)了從應用層到內(nèi)核層的調(diào)用。

附錄：程序代碼

#include  #include  #include  #include  #include  #include  #include  //指定的主設備號 #define MAJOR_NUM  250  //自己的字符設備 struct mycdev { int len; unsigned char buffer[50]; struct cdev cdev; };

MODULE_LICENSE("GPL"); //設備號 static dev_t dev_num = {0}; //全局gcd  struct mycdev *gcd; //設備類 struct class *cls; //打開設備 static int dev_fifo_open(struct inode *inode, struct file *file) { 
 printk("dev_fifo_open success!\n"); return 0;
} //讀設備 static ssize_t dev_fifo_read(struct file *file, char __user *ubuf, size_t size, loff_t *ppos) { int n; int ret; char *kbuf;

 printk("read *ppos : %lld\n",*ppos); if(*ppos == gcd->len) return 0; //請求大大小 > buffer剩余的字節(jié)數(shù) :讀取實際記得字節(jié)數(shù) if(size > gcd->len - *ppos)
 n = gcd->len  - *ppos; else n = size;

 printk("n = %d\n",n); //從上一次文件位置指針的位置開始讀取數(shù)據(jù) kbuf = gcd->buffer + *ppos; //拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間 ret = copy_to_user(ubuf,kbuf, n); if(ret != 0) return -EFAULT; //更新文件位置指針的值 *ppos += n;

 printk("dev_fifo_read success!\n"); return n;
} //寫設備 static ssize_t dev_fifo_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *ppos) { int n; int ret; char *kbuf;

 printk("write *ppos : %lld\n",*ppos); //已經(jīng)到達buffer尾部了 if(*ppos == sizeof(gcd->buffer)) return -1; //請求大大小 > buffer剩余的字節(jié)數(shù)(有多少空間就寫多少數(shù)據(jù)) if(size > sizeof(gcd->buffer) - *ppos)
 n = sizeof(gcd->buffer) - *ppos; else n = size; //從上一次文件位置指針的位置開始寫入數(shù)據(jù) kbuf = gcd->buffer + *ppos; //拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間 ret = copy_from_user(kbuf, ubuf, n); if(ret != 0) return -EFAULT; //更新文件位置指針的值 *ppos += n; //更新dev_fifo.len  gcd->len += n;

 printk("dev_fifo_write success!\n"); return n;
} //設備操作函數(shù)接口 static const struct file_operations fifo_operations = { .owner = THIS_MODULE,
 .open  = dev_fifo_open,
 .read  = dev_fifo_read,
 .write = dev_fifo_write,
}; //模塊入口 int __init dev_fifo_init(void) { int ret; struct device *device; //動態(tài)申請內(nèi)存 gcd = kzalloc(sizeof(struct mycdev), GFP_KERNEL); if(!gcd){ return -ENOMEM;
 } //設備號 : 主設備號(12bit) | 次設備號(20bit) dev_num = MKDEV(MAJOR_NUM, 0); //靜態(tài)注冊設備號 ret = register_chrdev_region(dev_num,1,"dev_fifo"); if(ret < 0){ //靜態(tài)注冊失敗，進行動態(tài)注冊設備號 ret = alloc_chrdev_region(&dev_num,0,1,"dev_fifo"); if(ret < 0){
 printk("Fail to register_chrdev_region\n"); goto err_register_chrdev_region;
 }
 } //創(chuàng)建設備類 cls = class_create(THIS_MODULE, "dev_fifo"); if(IS_ERR(cls)){
 ret = PTR_ERR(cls); goto err_class_create;
 } //初始化字符設備 cdev_init(&gcd->cdev,&fifo_operations); //添加設備到操作系統(tǒng) ret = cdev_add(&gcd->cdev,dev_num,1); if (ret < 0)
 { goto err_cdev_add;
 } //導出設備信息到用戶空間(/sys/class/類名/設備名) device = device_create(cls,NULL,dev_num,NULL,"dev_fifo%d",0); if(IS_ERR(device)){
 ret = PTR_ERR(device);
 printk("Fail to device_create\n"); goto err_device_create; 
 }
 printk("Register dev_fito to system,ok!\n"); return 0;

err_device_create:
 cdev_del(&gcd->cdev);

err_cdev_add:
 class_destroy(cls);

err_class_create:
 unregister_chrdev_region(dev_num, 1);

err_register_chrdev_region: return ret;

} void __exit dev_fifo_exit(void) { //刪除sysfs文件系統(tǒng)中的設備 device_destroy(cls,dev_num ); //刪除系統(tǒng)中的設備類 class_destroy(cls); //從系統(tǒng)中刪除添加的字符設備 cdev_del(&gcd->cdev); //釋放申請的設備號 unregister_chrdev_region(dev_num, 1); return;
}


module_init(dev_fifo_init);
module_exit(dev_fifo_exit);
MODULE_LICENSE("Dual DSB/GPL");
MODULE_AUTHOR("ZHAO");