Linux设备驱动开发详解1-阿里云开发者社区

前言

本文主要用来摘录《Linux设备驱动开发详解第四版》一书中学习知识点，本书基于 Linux 4.0 版本，源代码摘录基于 Linux 4.15.18 ，两者之间可能有些出入。

资源链接：宋宝华《Linux设备驱动开发详解》

一、Linux设备驱动概述及开发环境构建

设备驱动的作用
无操作系统时的设备驱动
有操作系统时的设备驱动
Linux设备驱动
Linux设备驱动的开发环境构建
设备驱动Hello World：LED驱动

二、驱动设计的硬件基础

处理器
存储器
接口与总线
CPLD和FPGA
原理图分析
硬件时序分析
芯片数据手册阅读方法
仪器仪表使用

三、 Linux内核及内核编程

1、Linux内核的发展与演变

Linux 操作系统是 UNIX 操作系统的一种克隆系统，是一种类 UNIX 操作系统，诞生于1991年10月5日（第一次正式向外公布的时间），起初的作者是 Linus Torvalds。Linux 操作系统的诞生、发展和成长过程依赖着 5 个重要支柱：UNIX 操作系统、Minix 操作系统、GNU 计划、POSIX 标准和 Internet 。

2、Linux 2.6后的内核特点

新的调度器
内核抢占
改进的线程模型
虚拟内存的变化
文件系统
音频
总线、设备和驱动模型
电源管理
联网和IPSec
用户界面层
Linux 3.0后ARM架构的变更

3、Linux内核的组成

（1）Linux内核源代码的目录结构

arch：包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录，如 i386、arm、arm64、
powerpc、mips 等。Linux 内核目前已经支持 30 种左右的体系结构。在 arch 目录下，存放的是各个平台以及各个平台的芯片对 Linux 内核进程调度、内存管理、中断等的支持，以及每个具体的 SoC 和电路板的板级支持代码。
block：块设备驱动程序 I/O 调度。
crypto：常用加密和散列算法（如 AES、SHA 等），还有一些压缩和 CRC 校验算法。
documentation：内核各部分的通用解释和注释。
drivers：设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录，如 char、block、net、mtd、i2c 等。
fs：所支持的各种文件系统，如 EXT、FAT、NTFS、JFFS2 等。
include：头文件，与系统相关的头文件放置在 include/linux 子目录下。
init：内核初始化代码。著名的 start_kernel() 就位于 init/main.c 文件中。
ipc：进程间通信的代码。
kernel：内核最核心的部分，包括进程调度、定时器等，而和平台相关的一部分代码放 arch/*/kernel 目录下。
lib：库文件代码。
mm：内存管理代码，和平台相关的一部分代码放在 arch/*/mm 目录下。
net：网络相关代码，实现各种常见的网络协议。
scripts：用于配置内核的脚本文件。
security：主要是一个 SELinux 的模块。
sound：ALSA、OSS 音频设备的驱动核心代码和常用设备驱动。
usr：实现用于打包和压缩的 cpio 等。
include：内核API级别头文件。

内核一般要做到 drivers 与 arch 的软件架构分离，驱动中不包含板级信息，让驱动跨平台。同时内核的通用部分（如 kernel、fs、ipc、net 等）则与具体的硬件（ arch 和 drivers ）剥离。

（2）Linux内核的组成部分

Linux 内核主要由进程调度（SCHED）、内存管理（MM）、虚拟文件系统（VFS）、

网络接口（NET）和进程间通信（IPC）5 个子系统组成。

① 进程调度

② 内存管理

【操作系统】进程空间管理

③ 虚拟文件系统

Linux 虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口。而且，它独立于各个具体的文件系统，是对各种文件系统的一个抽象。它为上层的应用程序提供了统一的 vfs_read() 、vfs_write() 等接口，并调用具体底层文件系统或者设备驱动中实现的 file_operations 结构体的成员函数。

④ 网络接口

网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。

⑤ 进程间通信

Linux 支持进程间的多种通信机制，包含信号量、共享内存、消息队列、管道、UNIX 域套接字等，这些机制可协助多个进程、多资源的互斥访问、进程间的同步和消息传递。在实际的 Linux 应用中，人们更多地趋向于使用 UNIX 域套接字，而不是 System V IPC 中的消息队列等机制。Android 内核则新增了 Binder 进程间通信方式。

Linux 内核 5 个组成部分之间的依赖关系如下。

进程调度与内存管理之间的关系：这两个子系统互相依赖。在多程序环境下，程序要运行，则必须为之创建进程，而创建进程的第一件事情，就是将程序和数据装入内存。

进程间通信与内存管理的关系：进程间通信子系统要依赖内存管理支持共享内存通信机制，这种机制允许两个进程除了拥有自己的私有空间之外，还可以存取共同的内存区域。

虚拟文件系统与网络接口之间的关系：虚拟文件系统利用网络接口支持网络文件系统（NFS），也利用内存管理支持 RAMDISK 设备。

内存管理与虚拟文件系统之间的关系：内存管理利用虚拟文件系统支持交换，交换进程定期由调度程序调度，这也是内存管理依赖于进程调度的原因。当一个进程存取的内存映射被换出时，内存管理向虚拟文件系统发出请求，同时，挂起当前正在运行的进程。

除了这些依赖关系外，内核中的所有子系统还要依赖于一些共同的资源。这些资源包括所有子系统都用到的 API ，如分配和释放内存空间的函数、输出警告或错误消息的函数及系统提供的调试接口等。

（3）Linux内核空间与用户空间

ARM Linux 的系统调用实现原理是采用 swi 软中断从用户（usr）模式陷入管理模式（svc）。

4、Linux内核的编译及加载

（1）Linux内核的编译

make config     #（基于文本的最为传统的配置界面，不推荐使用）
make menuconfig   #（基于文本菜单的配置界面）
make xconfig    #（要求QT被安装）
make gconfig    #（要求GTK+被安装）

内核配置包含的条目相当多，arch/arm/configs/xxx_defconfig 文件包含了许多电路板的默认配置。只需要运行 make ARCH=arm xxx_defconfig 就可以为 xxx 开发板配置内核。

编译内核和模块的方法是：

make ARCH=arm xxx_defconfig   # 使用默认配置
make ARCH=arm zImage
make ARCH=arm modules

上述命令中，如果 ARCH=arm 已经作为环境变量导出，则不再需要在 make 命令后书写该选项。执行完上述命令后，在源代码的根目录下会得到未压缩的内核映像 vmlinux 和内核符号表文件 System.map ，在 arch/arm/boot/ 目录下会得到压缩的内核映像 zImage，在内核各对应目录内得到选中的内核模块。

（2）Kconfig 和 Makefile

在 Linux 内核中增加程序需要完成以下 3 项工作。

将编写的源代码复制到 Linux 内核源代码的相应目录中。
在目录的 Kconfig 文件中增加关于新源代码对应项目的编译配置选项。

在目录的 Makefile 文件中增加对新源代码的编译条目。

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