Linux驅動與硬體

『壹』 解釋一下linux驅動程序結構框架及工作原理

一、Linux device driver 的概念

系統調用是操作系統內核和應用程序之間的介面，設備驅動程序是操作系統內核和機器硬體之間的介面。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬體的細節，這樣在應用程序看來，硬體設備只是一個設備文件，應用程序可以象操作普通文件一樣對硬體設備進行操作。設備驅動程序是內核的一部分，它完成以下的功能:

1、對設備初始化和釋放；

2、把數據從內核傳送到硬體和從硬體讀取數據；

3、讀取應用程序傳送給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據；

4、檢測和處理設備出現的錯誤。

在Linux操作系統下有三類主要的設備文件類型，一是字元設備，二是塊設備，三是網路設備。字元設備和塊設備的主要區別是:在對字元設備發出讀/寫請求時，實際的硬體I/O一般就緊接著發生了，塊設備則不然，它利用一塊系統內存作緩沖區，當用戶進程對設備請求能滿足用戶的要求，就返回請求的數據，如果不能，就調用請求函數來進行實際的I/O操作。塊設備是主要針對磁碟等慢速設備設計的，以免耗費過多的CPU時間來等待。

已經提到，用戶進程是通過設備文件來與實際的硬體打交道。每個設備文件都都有其文件屬性(c/b)，表示是字元設備還是塊設備?另外每個文件都有兩個設備號，第一個是主設備號，標識驅動程序，第二個是從設備號，標識使用同一個設備驅動程序的不同的硬體設備，比如有兩個軟盤，就可以用從設備號來區分他們。設備文件的的主設備號必須與設備驅動程序在登記時申請的主設備號一致，否則用戶進程將無法訪問到驅動程序。

最後必須提到的是，在用戶進程調用驅動程序時，系統進入核心態，這時不再是搶先式調度。也就是說，系統必須在你的驅動程序的子函數返回後才能進行其他的工作。如果你的驅動程序陷入死循環，不幸的是你只有重新啟動機器了，然後就是漫長的fsck。

二、實例剖析

我們來寫一個最簡單的字元設備驅動程序。雖然它什麼也不做，但是通過它可以了解Linux的設備驅動程序的工作原理。把下面的C代碼輸入機器，你就會獲得一個真正的設備驅動程序。

由於用戶進程是通過設備文件同硬體打交道，對設備文件的操作方式不外乎就是一些系統調用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統調用和驅動程序關聯起來呢?這需要了解一個非常關鍵的數據結構：

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);

}

這個結構的每一個成員的名字都對應著一個系統調用。用戶進程利用系統調用在對設備文件進行諸如read/write操作時，系統調用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅動程序，然後讀取這個數據結構相應的函數指針，接著把控制權交給該函數。這是linux的設備驅動程序工作的基本原理。既然是這樣，則編寫設備驅動程序的主要工作就是編寫子函數，並填充file_operations的各個域。

下面就開始寫子程序。

#include <linux/types.h> 基本的類型定義

#include <linux/fs.h> 文件系統使用相關的頭文件

#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; 用戶空間和內核空間

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

return -EFAULT;

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

{

__put_user(1，buf，1);

buf++;

}

return count;

}

這個函數是為read調用准備的。當調用read時，read_test()被調用，它把用戶的緩沖區全部寫1。buf 是read調用的一個參數。它是用戶進程空間的一個地址。但是在read_test被調用時，系統進入核心態。所以不能使用buf這個地址，必須用__put_user()，這是kernel提供的一個函數，用於向用戶傳送數據。另外還有很多類似功能的函數。請參考，在向用戶空間拷貝數據之前，必須驗證buf是否可用。這就用到函數verify_area。為了驗證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; 模塊計數加以，表示當前內核有個設備載入內核當中去

return 0;

}

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

{

MOD_DEC_USE_COUNT;

}

這幾個函數都是空操作。實際調用發生時什麼也不做，他們僅僅為下面的結構提供函數指針。

struct file_operations test_fops = {?

read_test，

write_test，

open_test，

release_test，

};

設備驅動程序的主體可以說是寫好了。現在要把驅動程序嵌入內核。驅動程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進kernel，另一種是編譯成模塊(moles)，如果編譯進內核的話，會增加內核的大小，還要改動內核的源文件，而且不能動態的卸載，不利於調試，所以推薦使用模塊方式。

int init_mole(void)

{

int result;

result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops); 對設備操作的整個介面

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命令將編譯好的模塊調入內存時，init_mole 函數被調用。在這里，init_mole只做了一件事，就是向系統的字元設備表登記了一個字元設備。register_chrdev需要三個參數，參數一是希望獲得的設備號，如果是零的話，系統將選擇一個沒有被佔用的設備號返回。參數二是設備文件名，參數三用來登記驅動程序實際執行操作的函數的指針。

如果登記成功，返回設備的主設備號，不成功，返回一個負值。

void cleanup_mole(void)

{

unregister_chrdev(test_major，"test");

}

在用rmmod卸載模塊時，cleanup_mole函數被調用，它釋放字元設備test在系統字元設備表中佔有的表項。

一個極其簡單的字元設備可以說寫好了，文件名就叫test.c吧。

下面編譯 :

$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c –c表示輸出制定名，自動生成.o文件

得到文件test.o就是一個設備驅動程序。

如果設備驅動程序有多個文件，把每個文件按上面的命令行編譯，然後

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

驅動程序已經編譯好了，現在把它安裝到系統中去。

$ insmod ?–f ?test.o

如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設備test，並可以看到它的主設備號。要卸載的話，運行 :

$ rmmod test

下一步要創建設備文件。

mknod /dev/test c major minor

c 是指字元設備，major是主設備號，就是在/proc/devices里看到的。

用shell命令

$ cat /proc/devices

就可以獲得主設備號，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

minor是從設備號，設置成0就可以了。

我們現在可以通過設備文件來訪問我們的驅動程序。寫一個小小的測試程序。

#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 = 0; i < 10;i++)

printf("%d\n"，buf[i]);

close(testdev);

}

編譯運行，看看是不是列印出全1

以上只是一個簡單的演示。真正實用的驅動程序要復雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問題。這些才是真正的難點。上述給出了一個簡單的字元設備驅動編寫的框架和原理，更為復雜的編寫需要去認真研究LINUX內核的運行機制和具體的設備運行的機制等等。希望大家好好掌握LINUX設備驅動程序編寫的方法。

『貳』 linux內核，驅動，應用程三者的概念和之間的關系

首先，要理解操作系統的概念，操作系統是用戶和硬體之間的一層媒介程序。不管是Linux還是Windows或者安卓、IOS，它的主要功能有兩點：
1、有效管理硬體。
2、方便用戶操作。

其次，Linux內核是Linux系統的核心程序，主要完成任務調度、內存管理、IO設備管理等等功能，主要目的是為了應用程序提供一個穩定良好的運行環境，這是一個基礎。

再次，驅動程序是操作系統有效管理硬體的一個途徑。應用程序是方便用戶操作提供的程序，比如Shell，Linux中的bash shell以及KDE、gnome等圖形Shell都是應用程序。 你可以簡單的理解為驅動程序實現了操作系統對硬體的有效管理，應用程序實現了操作系統方便用戶操作的目的。

最後，從編程角度來看，Linux內核就是一個調用庫，應用程序通過調用Linux提供的API函數來實現操作，Linux內核通過與驅動通信實現對硬體的有效管理。具體的編程細節，需要自己在實踐編程中體會。這是一個整體的描述。

『叄』 Linux驅動與設備節點簡介 & Android內核與Linux內核的區別

驅動是內核的一部分，作為直接訪問物理硬體的一個軟體層，用於應用程序與物理硬體設備通信。內核包含多種驅動，如WIFI、USB、Audio、藍牙、相機、顯示驅動。

（1）設備驅動程序三類：字元設備驅動程序、塊設備驅動程序、網路設備驅動程序；

（2）對應Linux三類設備：字元設備、塊設備、網路設備；

（3）常見字元設備：滑鼠、鍵盤、串口、控制台等；

（4）常見塊設備：各種硬碟、flash磁碟、RAM磁碟等；

（5）網路設備(網路介面)：eth0、eth1，註：網路設備沒有設備節點，應用程序通過Socket訪問網路設備。由於網路設備面向報文，較難實現相關read、write等文件讀寫函數，所以驅動的實現也與字元設備和塊設備不同。

Linux使用對文件一樣的管理方式來管理設備，所有設備都以文件的形式存放在/dev目錄下，系統中的每個字元設備或者塊設備都必須為其創建一個設備文件，它包含了該設備的設備類型（塊設備或字元設備）、設備號（主設備號和次設備號）以及設備訪問控制屬性等。設備節點通過 mknod 命令創建，也可以由Udev用戶工具軟體在系統啟動後根據/sys目錄下每個設備的實際信息創建，使用後一種方式可以為每個設備動態分配設備號。

Linux中設備節點通過「mknod」命令創建，創建時需要指定主設備號和次設備號，即指定對應的驅動程序和對應的物理設備（訪問設備節點時就相當於通過其設備號訪問驅動程序進而間接訪問到物理設備）。主設備號用來區分不同種類的設備，而次設備號用來區分同一類型的多個設備。對於常用設備，Linux有約定俗成的編號，如硬碟的主設備號是3

理解：應用程序通過訪問設備節點讀取主設備號和次設備號，通過主設備號找對應的驅動，通過次設備號對應到具體物理設備。註：1個驅動對應一類設備，並用唯一主設備號標識。

Linux支持的各種設備的主設備號定義在include/linux/major.h文件中，已經在官方注冊的主設備號和次設備號在Documentation/devices.txt文件中。

Android系統最底層是Linux，並且在中間加上了一個Dalvik / ART的Java虛擬機，從表面層看是Android運行庫。每個Android應用都運行在自己的進程上，享有Dalvik / ART虛擬機為它分配的專有實例，並支持多個虛擬機在同一設備上高效運行，虛擬機執行的是專有格式的可執行文件(.dex) - 該格式經過優化，以將內存好用降到最低。

Android內核和Linux內核的差別主要體現在如下11個方面：

『肆』 linux怎麼查看已裝好硬體驅動

linux系統中的設備驅動是否安裝好一般檢查幾個方面：1、系統日誌。嵌入式系統多是直接dmesg一下，看有沒有設備關鍵字相關的出錯信息(通用系統可檢查/var/log/messages文件)。
2、已載入的模塊。檢查模塊載入列表中有沒有相關設備的模塊。
lsmod
3、設備列表。檢查已載入的設備中有沒有相關設備
cat /proc/devices
4、設備入口。如果以上檢查都正常，還需要檢查設備目錄下設備入口是否已經創建
ls /dev/xxxx

如果以上檢查都正常（驅動模塊已經正常載入、設備入口存在且沒有錯誤），而設備還不能正常工作，就需要檢查設備驅動是否與晶元匹配或者驅動中的硬體資源配置是否與硬體對應了。