之前的幾篇文章（從i.MX6ULL嵌入式Linux開發(fā)1-uboot移植初探起)，介紹了嵌入式了Linux的系統(tǒng)移植（uboot、內(nèi)核與根文件系統(tǒng)）以及使用MfgTool工具將系統(tǒng)燒寫到板子的EMMC中。

本篇開始介紹嵌入式Linux驅(qū)動開發(fā)。

內(nèi)容較多，先看目錄：

1 Linux驅(qū)動分類

Linux中的外設(shè)驅(qū)動可以分為三大類：字符設(shè)備驅(qū)動、塊設(shè)備驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動。

• 字符設(shè)備驅(qū)動：字符設(shè)備是能夠按照字節(jié)流（比如文件）進行讀寫操作的設(shè)備。字符設(shè)備最常見，從最簡單的點燈到I2C、SPI、音頻等都屬于字符設(shè)備驅(qū)動
• 塊設(shè)備驅(qū)動：以存儲塊為基礎(chǔ)的設(shè)備驅(qū)動，如EMMC、NAND、SD卡等。對用戶而言，字符設(shè)備與塊設(shè)備的訪問方式?jīng)]有差別。
• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動：即網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動，它同時具有字符設(shè)備和塊設(shè)備的特點，因為它是輸入輸出是有結(jié)構(gòu)塊的（報文，包，幀），但它的塊的大小又不是固定的。

2 Linux驅(qū)動基本原理

在Linux中一切皆文件，驅(qū)動加載成功以后會在“/dev”目錄下生成一個相應(yīng)的文件，應(yīng)用程序通過對這個名為“/dev/xxx”的文件進行相應(yīng)的操作即可實現(xiàn)對硬件的操作。

比如最簡單的點燈功能，會有/dev/led這樣的驅(qū)動文件，應(yīng)用程序使用open函數(shù)來打開文件/dev/led，如果要點亮或關(guān)閉led，那么就使用write函數(shù)寫入開關(guān)值，如果要獲取led的狀態(tài)，就用read函數(shù)從驅(qū)動中讀取相應(yīng)的狀態(tài)，使用完成以后使用close函數(shù)關(guān)閉/dev/led這個文件。

2.1 Linux軟件分層結(jié)構(gòu)

Linux軟件從上到下可以分層4層結(jié)構(gòu)，以控制LED為例：

• 應(yīng)用層：應(yīng)用程序使用庫提供的open函數(shù)打開LED設(shè)備

• 庫：庫根據(jù)open函數(shù)傳入的參數(shù)執(zhí)行“swi”指令，進而引起CPU異常，進入內(nèi)核

• 內(nèi)核：內(nèi)核的異常處理函數(shù)根據(jù)傳入的參數(shù)找到對應(yīng)的驅(qū)動程序，返回文件句柄給庫，進而返回給應(yīng)用層

• 應(yīng)用層得到文件句柄后，使用庫提供的write或ioctl發(fā)出控制指令

• 庫根據(jù)write或ioctl函數(shù)傳入的參數(shù)執(zhí)行“swi”指令，進入內(nèi)核

• 內(nèi)核的異常處理函數(shù)根據(jù)傳入的參數(shù)找到對應(yīng)的驅(qū)動程序

• 驅(qū)動：驅(qū)動程序控制硬件，點亮LED

應(yīng)用程序運行在用戶空間，而Linux驅(qū)動屬于內(nèi)核的一部分，因此驅(qū)動運行于內(nèi)核空間。當應(yīng)用層通過open函數(shù)打開/dev/led 這個驅(qū)動時，因用戶空間不能直接操作內(nèi)核，因此會使用“系統(tǒng)調(diào)用”的方法來從用戶空間“陷入”到內(nèi)核空間，實現(xiàn)對底層驅(qū)動的操作。

比如應(yīng)用程序調(diào)用了open這個函數(shù)，則在驅(qū)動程序中也應(yīng)有一個對應(yīng)的open的函數(shù)。

2.2 Linux內(nèi)核驅(qū)動操作函數(shù)

每一個系統(tǒng)調(diào)用，在驅(qū)動中都有與之對應(yīng)的一個驅(qū)動函數(shù)，在Linux內(nèi)核文件include/linux/fs.h中有個file_operations結(jié)構(gòu)體，就是Linux內(nèi)核驅(qū)動操作函數(shù)集合：

struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
/*省略若干行...*/
};
其中有關(guān)字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)中常用的函數(shù)有：

• owner：擁有該結(jié)構(gòu)體的模塊的指針，一般設(shè)置為THIS_MODULE。
• llseek函數(shù)：用于修改文件當前的讀寫位置。
• read函數(shù)：用于讀取設(shè)備文件。
• write函數(shù)：用于向設(shè)備文件寫入(發(fā)送)數(shù)據(jù)。
• poll函數(shù)：是個輪詢函數(shù)，用于查詢設(shè)備是否可以進行非阻塞的讀寫。
• unlocked_ioctl函數(shù)：提供對于設(shè)備的控制功能， 與應(yīng)用程序中的 ioctl 函數(shù)對應(yīng)。
• compat_ioctl函數(shù)：與 unlocked_ioctl功能一樣，區(qū)別在于在 64 位系統(tǒng)上，32 位的應(yīng)用程序調(diào)用將會使用此函數(shù)。在 32 位的系統(tǒng)上運行 32 位的應(yīng)用程序調(diào)用的是unlocked_ioctl。
• mmap函數(shù)：用于將將設(shè)備的內(nèi)存映射到進程空間中(也就是用戶空間)，一般幀緩沖設(shè)備會使用此函數(shù)， 比如 LCD 驅(qū)動的顯存，將幀緩沖(LCD 顯存)映射到用戶空間中以后應(yīng)用程序就可以直接操作顯存了，這樣就不用在用戶空間和內(nèi)核空間之間來回復(fù)制。
• open函數(shù)：用于打開設(shè)備文件。
• release函數(shù)：用于釋放(關(guān)閉)設(shè)備文件，與應(yīng)用程序中的 close 函數(shù)對應(yīng)。
• fasync函數(shù)：用于刷新待處理的數(shù)據(jù)，用于將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)刷新到磁盤中。
• aio_fsync函數(shù)：與fasync功能類似，只是 aio_fsync 是異步刷新待處理的

2.3 Linux驅(qū)動運行方式

Linux 驅(qū)動有兩種運行方式：

• 將驅(qū)動編譯進Linux內(nèi)核中， 這樣當Linux內(nèi)核啟動的時候就會自動運行驅(qū)動程序。
• 將驅(qū)動編譯成模塊(擴展名為 .ko)， 在Linux內(nèi)核啟動以后使用“insmod”命令加載驅(qū)動模塊。

在驅(qū)動開發(fā)階段一般都將其編譯為模塊，不需要編譯整個Linux代碼，方便調(diào)試驅(qū)動程序。當驅(qū)動開發(fā)完成后，根據(jù)實際需要，可以選擇是否將驅(qū)動編譯進Linux內(nèi)核中。

2.4 Linux設(shè)備號

2.4.1 設(shè)備號的組成

Linux中每個設(shè)備都有一個設(shè)備號，設(shè)備號由主設(shè)備號和次設(shè)備號兩部分組成。

• 主設(shè)備號：表示某一個具體的驅(qū)動
• 次設(shè)備號：表示使用這個驅(qū)動的各個設(shè)備

Linux 提供了名為dev_t的數(shù)據(jù)類型表示設(shè)備號，其本質(zhì)是32位的unsigned int數(shù)據(jù)類型，其中高12位為主設(shè)備號，低2 位為次設(shè)備號，因此Linux中主設(shè)備號范圍為0~4095。

在文件include/linux/kdev_t.h中提供了幾個關(guān)于設(shè)備號操作的宏定義：

#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)

#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev)