玩轉(zhuǎn)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)你需要弄懂這些問題
Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。它能運(yùn)行主要的UNIX工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計(jì)思想，是一個(gè)性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。
想要深入理解linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)，你必須明確以下幾個(gè)問題：
• 應(yīng)用程序、庫、內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)系
• 設(shè)備類型
• 設(shè)備文件、主設(shè)備號(hào)與從設(shè)備號(hào)
• 驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的區(qū)別
• 用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)
• Linux驅(qū)動(dòng)程序功能
一、應(yīng)用程序、庫、內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)系
1) 應(yīng)用程序調(diào)用一系列函數(shù)庫，通過對(duì)文件的操作完成一系列功能。
應(yīng)用程序以文件形式訪問各種硬件設(shè)備(Linux特有的抽象方式，把所有的硬件訪問抽象為對(duì)文件的讀寫、設(shè)置)
函數(shù)庫：
部分函數(shù)無需內(nèi)核的支持，由庫函數(shù)內(nèi)部通過代碼實(shí)現(xiàn)，直接完成功能
部分函數(shù)涉及到硬件操作或內(nèi)核的支持，由內(nèi)核完成對(duì)應(yīng)功能，我們稱其為系統(tǒng)調(diào)用
2) 內(nèi)核處理系統(tǒng)調(diào)用，根據(jù)設(shè)備文件類型、主設(shè)備號(hào)、從設(shè)備號(hào)(后面會(huì)講解)，調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
3) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)直接與硬件通信。
二、設(shè)備類型
硬件是千變?nèi)f化的，沒有八千也有一萬了，就像世界上有三種人：男人、女人、女博士一樣，linux做了一個(gè)很偉大也很艱難的分類：把所有的硬件設(shè)備分為三大類：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
1) 字符設(shè)備：字符(char)設(shè)備是個(gè)能夠像字節(jié)流(類似文件)一樣被訪問的設(shè)備。
對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O操作一般緊接著發(fā)生;
字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常至少要實(shí)現(xiàn)open、close、read和write系統(tǒng)調(diào)用。
比如我們常見的lcd、觸摸屏、鍵盤、led、串口等等，就像男人是用來干活的一樣，他們一般對(duì)應(yīng)具體的硬件都是進(jìn)行出具的采集、處理、傳輸。
2) 塊設(shè)備：一個(gè)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要通過傳輸固定大小的數(shù)據(jù)(一般為512或1k)來訪問設(shè)備。
塊設(shè)備通過buffer cache(內(nèi)存緩沖區(qū))訪問，可以隨機(jī)存取，即：任何塊都可以讀寫，不必考慮它在設(shè)備的什么地方。
塊設(shè)備可以通過它們的設(shè)備特殊文件訪問，但是更常見的是通過文件系統(tǒng)進(jìn)行訪問。
只有一個(gè)塊設(shè)備可以支持一個(gè)安裝的文件系統(tǒng)。
比如我們常見的電腦硬盤、SD卡、U盤、光盤等，就像女人一樣是用來存儲(chǔ)信息的。
3) 網(wǎng)絡(luò)接口：任何網(wǎng)絡(luò)事務(wù)都經(jīng)過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口形成，即一個(gè)能夠和其他主機(jī)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。
訪問網(wǎng)絡(luò)接口的方法仍然是給它們分配一個(gè)唯一的名字(比如eth0)，但這個(gè)名字在文件系統(tǒng)中不存在對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。
內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序間的通信，完全不同于內(nèi)核和字符以及塊驅(qū)動(dòng)程序之間的通信，內(nèi)核調(diào)用一套和數(shù)據(jù)包傳輸相關(guān)的函數(shù)(socket函數(shù))而不是read、write等。
比如我們常見的網(wǎng)卡設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備，就像女博士一樣，數(shù)量稀少但又不可或缺。
linux中所有的驅(qū)動(dòng)程序最終都能歸到這三種設(shè)備中，當(dāng)然他們之間也沒有非常嚴(yán)格的界限，這些都是程序中對(duì)他們的劃分而已，比如一個(gè)sd卡，我們也可以把它封裝成字符設(shè)備去操作也是沒有問題的。就像。。。
三、設(shè)備文件、主設(shè)備號(hào)、從設(shè)備號(hào)
有了設(shè)備類型的劃分，那么應(yīng)用程序應(yīng)該怎樣訪問具體的硬件設(shè)備呢?
或者說已經(jīng)確定他是一個(gè)男人了，那么怎么從萬千世界中區(qū)分他與他的不同呢?
答案是：姓名，在linux驅(qū)動(dòng)中也就是設(shè)備文件名。
那么重名怎么辦?
答案是：身份證號(hào)，在linux驅(qū)動(dòng)中也就是設(shè)備號(hào)(主、從)。
設(shè)備文件：
在linux系統(tǒng)中有一個(gè)約定俗成的說法:“一切皆文件”，應(yīng)用程序使用設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)訪問對(duì)應(yīng)設(shè)備， Linux下的各種硬件設(shè)備以文件的形式存放于/dev目錄下，可以使用ls /dev 查看Linux把對(duì)硬件的操作全部抽象成對(duì)文件的操作(open,read,write,close,…)
每個(gè)設(shè)備文件都有其文件屬性(c或者b)，使用ls /dev -l 的命令查看， 表明其是字符設(shè)備或者塊設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有在這個(gè)文件夾下，用來明其性別(男人、女人)
主設(shè)備號(hào)、從設(shè)備號(hào)
在設(shè)備管理中，除了設(shè)備類型外，內(nèi)核還需要一對(duì)被稱為主從設(shè)備號(hào)的參數(shù)，才能唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)設(shè)備，類似人的身份證號(hào)
主設(shè)備號(hào)：
用于標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)程序，相同的主設(shè)備號(hào)使用相同的驅(qū)動(dòng)程序，例如：S3C2440 有串口、LCD、觸摸屏三種設(shè)備，他們的主設(shè)備號(hào)各不相同;
從設(shè)備號(hào)：
用于標(biāo)識(shí)同一驅(qū)動(dòng)程序的不同硬件
例：PC的IDE設(shè)備，主設(shè)備號(hào)用于標(biāo)識(shí)該硬盤，從設(shè)備號(hào)用于標(biāo)識(shí)每個(gè)分區(qū)，2440有三個(gè)串口，每個(gè)串口的主設(shè)備號(hào)相同，從設(shè)備號(hào)用于區(qū)分具體屬于那一個(gè)串口。
四、驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的區(qū)別
應(yīng)用程序以main開始
驅(qū)動(dòng)程序沒有main，它以一個(gè)模塊初始化函數(shù)作為入口
應(yīng)用程序從頭到尾執(zhí)行一個(gè)任務(wù)
驅(qū)動(dòng)程序完成初始化之后不再運(yùn)行，等待系統(tǒng)調(diào)用
應(yīng)用程序可以使用glibc等標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫
驅(qū)動(dòng)程序不能使用標(biāo)準(zhǔn)C庫
五、用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的區(qū)分
驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，工作在內(nèi)核態(tài)
應(yīng)用程序工作在用戶態(tài)
數(shù)據(jù)空間訪問問題
無法通過指針直接將二者的數(shù)據(jù)地址進(jìn)行傳遞
系統(tǒng)提供一系列函數(shù)幫助完成數(shù)據(jù)空間轉(zhuǎn)換
get_user
put_user
copy_from_user
copy_to_user
六、Linux驅(qū)動(dòng)程序功能
對(duì)設(shè)備初始化和釋放資源
把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)
讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)
檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤(底層協(xié)議)
用于區(qū)分具體設(shè)備的實(shí)例
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