Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)入門與實(shí)戰(zhàn)（第2版）：第1章 Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)概述

第1章Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)概述設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是計(jì)算機(jī)硬件與應(yīng)用程序的接口，是軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)溝通的橋梁。如果沒有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，那么硬件設(shè)備就只是一堆廢鐵，沒有一點(diǎn)的功能。本章將對(duì)Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)要的概述，使讀者理解一些常見的概念。1.1Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基本概念本節(jié)對(duì)中斷相關(guān)概念進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，并對(duì)中斷進(jìn)行了分類。根據(jù)不同的中斷類型，寫中斷驅(qū)動(dòng)程序的方法也不一樣。下面將主要介紹中斷的基本概念和常見分類。1.1.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（DeviceDriver），簡(jiǎn)稱驅(qū)動(dòng)程序（Driver）。它是一個(gè)允許計(jì)算機(jī)軟件（ComputerSoftware）與硬件（Hardware）交互的程序。這種程序建立了一個(gè)硬件與硬件，或硬件與軟件溝通的界面。CPU經(jīng)由主板上的總線（Bus）或其它溝通子系統(tǒng)（Subsystem）與硬件形成連接，這樣的連接使得硬件設(shè)備（Device）之間的數(shù)據(jù)交換成為可能。1.1.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一種可以使計(jì)算機(jī)和設(shè)備通信的特殊程序，可以說相當(dāng)于硬件的接口。操作系統(tǒng)只有通過這個(gè)接口，才能控制硬件設(shè)備的工作。假如某設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序未能正確安裝，便不能正常工作。正因?yàn)檫@個(gè)原因，驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)中的所占的地位十分重要。一般當(dāng)操作系統(tǒng)安裝完畢后，首要的便是安裝硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。1.1.3設(shè)備驅(qū)動(dòng)的分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要硬件由CPU、存儲(chǔ)器和外部設(shè)備組成。驅(qū)動(dòng)程序的對(duì)象一般是存儲(chǔ)器和外部設(shè)備。隨著芯片制造工藝的提高，為了節(jié)約成本，通常將很多原屬于外部設(shè)備的控制器嵌入到CPU內(nèi)部。所以現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該支持CPU中的嵌入控制器。Linux將這些設(shè)備分為3大類：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。1.2Linux操作系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)的關(guān)系Linux操作系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間的關(guān)系如圖所示。用戶空間包括應(yīng)用程序和系統(tǒng)調(diào)用兩層。應(yīng)用程序一般依賴于函數(shù)庫，而函數(shù)庫是由系統(tǒng)調(diào)用來編寫的，所以應(yīng)用程序間接地依賴于系統(tǒng)調(diào)用。1.3Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)Linux驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)與應(yīng)用程序的開發(fā)有很大的差別。這些差別導(dǎo)致了編寫Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與編寫應(yīng)用程序有本質(zhì)的區(qū)別，所以對(duì)于應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)技巧很難直接應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)上。本節(jié)將對(duì)Linux驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)要的講解。1.3.1用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)Linux操作系統(tǒng)分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。用戶態(tài)處理上層的軟件工作。內(nèi)核態(tài)用來管理用戶態(tài)的程序，完成用戶態(tài)請(qǐng)求的工作。驅(qū)動(dòng)程序與底層的硬件交互，所以工作在內(nèi)核態(tài)。1.3.2模塊機(jī)制模塊是可以在運(yùn)行時(shí)加入內(nèi)核的代碼，這是Linux的一個(gè)很好的特性。這個(gè)特性使內(nèi)核可以很容易的擴(kuò)大或者縮小，一方面擴(kuò)大內(nèi)核可以增加內(nèi)核的功能，另一方面縮小內(nèi)核可以減小內(nèi)核的大小。1.3.3編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要了解的知識(shí)Linux操作系統(tǒng)有三四百萬行代碼，其中驅(qū)動(dòng)程序代碼就有四分之三左右。所以對(duì)于驅(qū)動(dòng)開發(fā)者來說，學(xué)習(xí)和編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都是一個(gè)漫長的過程。在這個(gè)過程中，讀者應(yīng)該掌握如下的一些知識(shí)：（1）驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員應(yīng)該有良好的C語言基礎(chǔ)。（2）驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員應(yīng)該有良好的硬件基礎(chǔ)。（3）驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員應(yīng)該對(duì)Linux內(nèi)核源代碼有初步的了解。（4）驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員應(yīng)該有多任務(wù)程序設(shè)計(jì)的能力。1.4編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的注意事項(xiàng)大部分程序員都比較熟悉應(yīng)用程序的編寫，但是對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序的編寫可能不是很熟悉。關(guān)于應(yīng)用程序的很多編程經(jīng)驗(yàn)不能直接的應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)程序的編寫中來。下面給出編寫驅(qū)動(dòng)程序的一些注意事項(xiàng)，希望引起讀者注意。1.4.1應(yīng)用程序開發(fā)與驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的差異在Linux上的程序開發(fā)一般分為兩種，一種是內(nèi)核及驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，另一種是應(yīng)用程序開發(fā)。這兩種開發(fā)種類對(duì)應(yīng)Linux的兩種狀態(tài)，分別是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。內(nèi)核態(tài)用來管理用戶態(tài)的程序，完成用戶態(tài)請(qǐng)求的工作；用戶態(tài)處理上層的軟件工作。驅(qū)動(dòng)程序與底層的硬件交互，所以工作在內(nèi)核態(tài)。1.4.2GUNC開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序GUNC語言最開始起源于一個(gè)GUN計(jì)劃，GUN的意思是“GUNisnotUNIX”。GUN計(jì)劃開始于1984年，這個(gè)計(jì)劃的目的是開發(fā)一個(gè)類似UNIX并且軟件自由的完整操作系統(tǒng)。這個(gè)計(jì)劃一直進(jìn)行，直到Linus開發(fā)Linux操作系統(tǒng)時(shí)，GNU計(jì)劃已經(jīng)開發(fā)出來了很多高質(zhì)量的自由軟件。其中就包括著名的GCC編譯器，GCC編譯器能夠編譯GUNC語言。Linus考慮到GUN計(jì)劃的自由和免費(fèi)，所以選擇了GCC編譯器來編寫內(nèi)核代碼，之后的很多開發(fā)者也使用這個(gè)編譯器，所以直到現(xiàn)在，驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員也使用GUNC語言來開放驅(qū)動(dòng)程序。1.4.3不能使用C庫來開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序與用戶空間的應(yīng)用程序不同，內(nèi)核不能調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的C函數(shù)庫，主要的原因在于對(duì)于內(nèi)核來說完整的C庫太大了。一個(gè)編譯的內(nèi)核大小可以是1M左右的字節(jié)，而一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的C語言庫大小可能操作5M字節(jié)。這對(duì)于存儲(chǔ)容量較小的嵌入式設(shè)備來說，是不實(shí)用的。缺少標(biāo)志C語言庫，并不是說驅(qū)動(dòng)程序就只能做很好的事情了。1.4.4沒有內(nèi)存保護(hù)機(jī)制當(dāng)一個(gè)用戶應(yīng)用程序由于編程錯(cuò)誤，試圖訪問一個(gè)非法的內(nèi)存空間，那么操作系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)結(jié)束這個(gè)進(jìn)程，并返回錯(cuò)誤碼。應(yīng)用程序可以在操作系統(tǒng)內(nèi)核的幫助下，恢復(fù)過來，而且應(yīng)用程序并不會(huì)對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核有太大的影響。但是如果當(dāng)操作系統(tǒng)內(nèi)核訪問了一個(gè)非法的內(nèi)存，那么就有可能蘋的諍說拇或者數(shù)據(jù)。這將導(dǎo)致內(nèi)核處于未知的狀態(tài)，內(nèi)核會(huì)通過oops錯(cuò)誤給用戶一些提示，但是這些提示都是不支持，難以分析的。1.4.5小內(nèi)核棧用戶空間的程序可以從棧上分配大量的空間來存放變量，甚至用棧存放巨大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者數(shù)組都沒問題。之所以能這樣做是因?yàn)閼?yīng)用程序是非常駐內(nèi)存的，它們可以動(dòng)態(tài)的申請(qǐng)和釋放所有可用的內(nèi)存空間。內(nèi)核要求使用固定常駐的內(nèi)存空間，因此要求盡量少的占用常駐內(nèi)存，而盡量多的留出內(nèi)存提供給用戶程序使用。因此內(nèi)核棧的長度是固定大小的，不可動(dòng)態(tài)增長的32位機(jī)的內(nèi)核棧是8KB；64位機(jī)的內(nèi)核棧是16KB。1.4.6重視可移植性對(duì)于用戶空間的應(yīng)用程序來說，可移植性一直是一個(gè)重要的問題。一般可移植性通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)。一種方式是定義一套可移植的API，然后對(duì)這套API在個(gè)這兩個(gè)需要移植的平臺(tái)上分別實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序開發(fā)人員，只要使用這套可移植的API，就可以寫出可移植的程序。在嵌入式領(lǐng)域，比較常見的API套件是QT。另一種方式是使用類似JAVA、actionscript等可移植到很多操作系統(tǒng)上的語言。這些語言一般通過虛擬機(jī)來執(zhí)行，所以可以移植到很多平臺(tái)上。1.5Linux驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，使用Linux的嵌入式設(shè)備也越來越多。同樣地，工業(yè)上對(duì)Linux驅(qū)動(dòng)的開發(fā)也越來越重視。本節(jié)對(duì)Linux驅(qū)動(dòng)的發(fā)展做簡(jiǎn)要的介紹。1.5.1Linux驅(qū)動(dòng)的發(fā)展Linux和嵌入式Linux軟件在過去幾年里已經(jīng)越來越普遍的為IT業(yè)、半導(dǎo)體公司、嵌入式系統(tǒng)所認(rèn)可和接受，它已經(jīng)成為一個(gè)可以替代微軟的Windows和眾多傳統(tǒng)的RTOS的重要的操作系統(tǒng)。Linux內(nèi)核和基本組件和工具已經(jīng)是成熟的軟件，面向行業(yè)，應(yīng)用和設(shè)備的嵌入式Linux工具軟件和嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。符合標(biāo)準(zhǔn)，遵循開放是大勢(shì)所趨，人心所向，嵌入式Linux也不例外。1.5.2驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)融入到了各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在電子產(chǎn)品中無處不在，從手機(jī)、游戲機(jī)、冰箱、電視、洗衣機(jī)等小型設(shè)備，到汽車、輪船、火車、飛機(jī)等大型設(shè)備都有它的身影。這些設(shè)備都需要驅(qū)動(dòng)程序來使之運(yùn)行，可以說驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)用前景是非常廣泛的。每一天都有很多驅(qū)動(dòng)程序需要去編寫，所以驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員的前途是無比光明的。1.5.3相關(guān)學(xué)習(xí)資源學(xué)習(xí)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，單單只是學(xué)習(xí)理論是不夠的，還需要自動(dòng)動(dòng)手來寫各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。寫驅(qū)動(dòng)程序不僅需要讀者的軟件知識(shí)，還需要讀者的硬件知識(shí)。在這里，推薦一些國內(nèi)外優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)開發(fā)網(wǎng)站，希望讀者的學(xué)習(xí)有所幫助。（1）Linux內(nèi)核之旅網(wǎng)站：/（2）知名博客：/26540（3）Linux中國：/（4）一個(gè)不錯(cuò)的Linux中文社區(qū)：/（5）csdn內(nèi)核驅(qū)動(dòng)研究社區(qū)：/s/Linux_Dirver/0.html（6）Linux伊甸園：/index.php1.6小結(jié)本章首先對(duì)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本概念進(jìn)行了詳細(xì)的講述；并且講述了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用；接著講述了設(shè)