精通Linux设备驱动程序开发第2章-内核一瞥

第一章 Linux设备驱动程序简介

Linux Kernel 系统架构图

一、驱动程序的特点

 是应用和硬件设备之间的一个软件层 。

 这个软件层一般在内核中实现

 设备驱动程序的作用在于提供机制，而不是提供策略，编写访问硬件的内核代码时不要给用户强加任何策略

o 机制：驱动程序能实现什么功能。

o 策略：用户如何使用这些功能。

二、设备驱动分类和内核模块

 设备驱动类型。Linux 系统将设备驱动分成三种类型

o 字符设备

o 块设备

o 网络设备

 内核模块：内核模块是内核提供的一种可以动态加载功能单元来扩展内核功能的机制，类似于软件中的插件机制。这种功能单元叫内核模块。

 通常为每个驱动创建一个不同的模块，而不在一个模块中实现多个设备驱动，从而实现良好的伸缩性和扩展性。

三、字符设备

 字符设备是个能够象字节流

 应用程序调用system call

 由于应用程序必须使用/dev目录下的设备文件

 大多数字符设备是个只能顺序访问的数据通道，不能前后移动访问指针，这点和文件不同。比如串口驱动，只能顺序的读写设备。然而，也存在和数据区或者文件特性类似的字符设备，访问它们时可前后移动访问指针。例如framebuffer设备就是这样一个设备，应用程序可以用

mmap 或 lseek 访问图象的各个区域。

四、块设备

 块设备通常是按照块为单位来访问数据，比如一块为512字节。

 块设备也是通过 /dev 目录下的文件系统节点来访问。块设备和字符设备的区别仅仅在于内核内部管理数据的方式，也就是内核和驱动程序的接口不同。

 块设备除了给内核提供和字符设备一样的接口外，还提供了专门面向块设备的接口，块设备的接口必须支持挂装文件系统，通过此接口，块设备能够容纳文件系统，因此应用程序一般通过文件系统来访问块设备上的内容。

 文件系统可能是除驱动程序外 Linux 系统中最重要的模块类型,与块设备驱动程序联系紧密。

LINUX设备驱动开发详解

概述

LINUX设备驱动开发是一项非常重要的任务，它使得硬件设备能够与操作系统进行有效地交互。本文将详细介绍LINUX设备驱动开发的基本概念、流程和常用工具，帮助读者了解设备驱动开发的要点和技巧。

设备驱动的基本概念

设备驱动是连接硬件设备和操作系统的桥梁，它负责处理硬件设备的输入和输出，并提供相应的接口供操作系统调用。设备驱动一般由设备驱动程序和设备配置信息组成。

设备驱动程序是编写解决设备驱动的代码，它负责完成设备初始化、IO操作、中断处理、设备状态管理等任务。设备驱动程序一般由C语言编写，使用Linux内核提供的API函数进行开发。

设备配置信息是定义硬件设备的相关参数和寄存器配置的文件，它告诉操作系统如何与硬件设备进行交互。设备配置信息一般以设备树或者直接编码在设备驱动程序中。

设备驱动的开发流程

设备驱动的开发流程包括设备初始化、设备注册、设备操作函数编写和设备驱动注册等几个主要步骤。下面将详细介绍这些步骤。

设备初始化

设备初始化是设备驱动开发的第一步，它包括硬件初始化和内存分配两个主要任务。

硬件初始化是对硬件设备进行基本的初始化工作，包括寄存器配置、中断初始化等。通过操作设备的寄存器，将设备设置为所需的状态。

内存分配是为设备驱动程序分配内存空间以便于执行。在设备初始化阶段，通常需要为设备驱动程序分配一块连续的物理内存空间。

设备注册

设备注册是将设备驱动程序与设备对象进行关联的过程，它使得操作系统能够正确地管理设备。设备注册包括设备号分配、设备文件创建等操作。 设备号是设备在系统中的唯一标识符，通过设备号可以找到设备对象对应的设备驱动程序。设备号分配通常由操作系统负责，设备驱动程序通过注册函数来获取设备号。

设备文件是用户通过应用程序访问设备的接口，它是操作系统中的一个特殊文件。设备文件的创建需要通过设备号和驱动程序的注册函数来完成。

设备操作函数编写

第1章 Linux内核简介

世界各地都有人在钻研Linux内核，大多是在写设备驱动程序。尽管每个驱动程序都不一样，而且你还要知道自己设备的特殊性，但是这些设备驱动程序的许多原则和基本技术技巧都是一样的。通过本书，可以学会写自己的设备驱动程序，并且可以钻研内核的相关部分。本书涉及到的是设备无关编程技巧，不会将例子跟特殊设备绑定在一起。

本章没有实际编写代码。但我要介绍一些关于Linux内核的背景概念，这样到我们稍后开始介绍实际编程时，就很顺利了。

当你学习编写驱动程序的时候，你也会发现很多关于Linux内核的知识，这对理解你机器怎么工作很有帮助，并且还可以知道为什么你的机器没有希望的那么快，或者为什么不按照你象要它做的那样做。我们会逐渐介绍一些新概念，先从简单的驱动程序开始，每介绍一些新概念都会看到相关例子代码，这些代码都不需要特殊硬件。

驱动程序作者的作用

作为一个程序员，你可以选择自己的驱动程序，在编程所需时间和结果的灵活性之间做个可以接受的权衡。尽管说驱动程序的灵活性看起来有那么点怪，我喜欢这个词是因为它强调了设备驱动程序提供的是机制，而不是策略。

机制和策略之间的差别是Unix设计背后最好的点子之一。实际编程中遇到的大多数问题都可以被划分成两个部分：“需要作什么”（机制）和“这个程序怎么用”（策略）。如果这两个主题是由程序不同部分来承担的，或者是由不同的程序组合一起承担的，那么这个软件包就很容易开发，也很适合特殊需求。

举个例子，Unix的图形显示管理在X服务器和窗口管理器之间划了一道线，X服务器了解硬件并给用户程序提供唯一的接口，而窗口管理器实现特殊的策略并不需要知道硬件的任何信息。人们可以在不同硬件上使用同样的窗口管理器，并且不同用户在同一台工作站上可以使用不同的设置。另一个例子是TCP/IP的网络分层结构：操作系统提供抽象的套接字操作，是设备无关的，不同服务器主管这个服务。另外，ftpd服务器提供文件传输机制，而用户可以使用任何客户端程序；命令行的客户端和图形化界面的客户端都存在，并且谁都可以为传输文件写一个新的用户界面。

第3章 内核组件

本章将对一些驱动开发相关的内核组件进行讲解。我们首先以内核线程开始，它类似于用户空间的进程，通常用于并发处理。

另外，内核还提供了一些接口，使用它们可以简化代码、消除冗余、增强代码可读性并有利于代码的长期维护。本章会学习链表、哈希链表、工作队列、通知链(notifier chain)、完成以及错误处理辅助接口等。这些辅助接口经过了优化，而且清除了bug，因此你的驱动可以继承这些优点。 内核线程

内核线程是一种在内核空间实现后台任务的方式。该任务可以是繁忙地处理异步事务，也可以睡眠等待某事件的发生。内核线程与用户进程相似，唯一的不同是内核线程位于内核空间可以访问内核函数和数据结构。和用户进程相似，由于可抢占调度的存在，内核现在看起来也在独占CPU。很多设备驱动都使用了内核线程以完成辅助任务。例如，USB设备驱动核心的khubd内核线程的作用就是监控USB集线器，并在USB被热插拔的时候配置USB设备。 创建内核线程

让我们用一个例子老学习内核线程的知识。当我们在开发这个例子线程的时候，你也会学习到进程状态、等待队列的概念，并接触到用户模式辅助函数。当你熟悉内核线程以后，你可以使用它作为在内核中进行各种各样实验的媒介。

假定我们的线程要完成这样的工作：一旦它检测到某一关键的内核数据结构的健康状态极度恶化（譬如，网络接受缓冲区的空闲内存低于警戒水位），就激活一个用户模式程序给你发送一封email或发出一个呼机警告。

该任务比较适合用内核线程来实现，原因如下：

（1）它是一个等待异步事件的后台任务；

（2）由于实际的事件侦测由内核的其他部分完成，本任务也需要访问内核数据结构；

（3）它必须激活一个用户模式的辅助程序，这比较耗费时间。 内建的内核线程

使用ps命令可以查看系统中正在运行的内核线程（也称为内核进程）。内核线程的名字被一个方括号括起来了：

bash> ps -ef

UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD