設(shè)備驅(qū)動(dòng)充當(dāng)了硬件和應(yīng)用軟件之間的紐帶，它使得應(yīng)用軟件只需要調(diào)用系統(tǒng)軟件的應(yīng)用編程接口（API）就可讓硬件去完成要求的工作。本文主要講解了Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)與硬件的關(guān)系，Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)模式以及內(nèi)核中相關(guān)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)與硬件的關(guān)系

對設(shè)備驅(qū)動(dòng)最通俗的解釋就是“驅(qū)使硬件設(shè)備行動(dòng)”。驅(qū)動(dòng)與底層硬件直接打交道，按照硬件設(shè)備的具體工作方式，讀寫設(shè)備的寄存器，完成設(shè)備的輪詢、中斷處理、 DMA 通信，進(jìn)行物理內(nèi)存向虛擬內(nèi)存的映射等，最終讓通信設(shè)備能收發(fā)數(shù)據(jù)，讓顯示設(shè)備能顯示文字和畫面，讓存儲設(shè)備能記錄文件和數(shù)據(jù)。

設(shè)備分類

Linux對將外設(shè)分為3類:

字符設(shè)備

字符設(shè)備指那些必須以串行順序依次進(jìn)行訪問的設(shè)備，如觸摸屏、磁帶驅(qū)動(dòng)器、鼠標(biāo)等。

塊設(shè)備

塊設(shè)備可以用任意順序進(jìn)行訪問，以塊為單位進(jìn)行操作，如硬盤、軟驅(qū)等。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備面向數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送而設(shè)計(jì)，它并不對應(yīng)于文件系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。

總體框圖

機(jī)制與策略

機(jī)制強(qiáng)調(diào)“提供什么能力”，而策略旨在“如何使用這些能力”。因此驅(qū)動(dòng)開發(fā)需要遵守的是驅(qū)動(dòng)程序的角色是提供機(jī)制, 而不是策略。
編寫內(nèi)核代碼來存取硬件, 但是不能強(qiáng)加特別的策略給用戶, 因?yàn)椴煌挠脩粲胁煌男枨蟆ｒ?qū)動(dòng)應(yīng)當(dāng)做到使硬件可用, 將所有關(guān)于如何使用硬件的事情留給應(yīng)用程序。

內(nèi)核模塊

Linux 提供了一種代碼動(dòng)態(tài)地加載到內(nèi)核中機(jī)制，這種機(jī)制被稱為模塊（Module）。具有如下特點(diǎn)：

模塊本身不被編譯入內(nèi)核映像， 從而控制了內(nèi)核的大小。

模塊一旦被加載，它就和內(nèi)核中的其他部分完全一樣。

可動(dòng)態(tài)加載與移除，不需重啟系統(tǒng)，節(jié)約開發(fā)時(shí)間。

模塊放在用戶空間，這部分代碼可以不開源。

因此驅(qū)動(dòng)多數(shù)情況以內(nèi)核模塊的形式加載到內(nèi)核。

組成

一個(gè) Linux 內(nèi)核模塊主要由如下幾個(gè)部分組成:

模塊加載函數(shù)（一般需要）

當(dāng)通過 insmod 或 modprobe 命令加載內(nèi)核模塊時(shí)，模塊的加載函數(shù)會(huì)自動(dòng)被內(nèi)核執(zhí)行，完成本模塊的相關(guān)初始化工作。static int __init initialization_function(void){ /* 初始化代碼 */}module_init(initialization_function);

模塊卸載函數(shù)（一般需要）

當(dāng)通過 rmmod 命令卸載某模塊時(shí)，模塊的卸載函數(shù)會(huì)自動(dòng)被內(nèi)核執(zhí)行，完成與模塊卸載函數(shù)相反的功能。static void __exit cleanup_function(void){ /* 釋放代碼 */}module_exit(cleanup_function);

模塊許可證聲明（必須）

許可證（ LICENSE）聲明描述內(nèi)核模塊的許可權(quán)限，如果不聲明 LICENSE，模塊被加載時(shí)，將收到內(nèi)核被污染 （ kernel tainted）的警告。在 Linux 2.6 內(nèi)核中，可接受的 LICENSE 包括“ GPL”、“ GPL v2”、“ GPL and additional rights”、“ Dual BSD/GPL”、“ Dual MPL/GPL” 和“ Proprietary”。

模塊參數(shù)（可選）

模塊參數(shù)是模塊被加載的時(shí)候可以被傳遞給它的值，它本身對應(yīng)模塊內(nèi)部的全局變量。module_param(參數(shù)名,參數(shù)類型,參數(shù)讀/寫權(quán)限);module_param_array(數(shù)組名,數(shù)組類型,數(shù)組長,參數(shù)讀/寫權(quán)限);

模塊導(dǎo)出符號（可選）

內(nèi)核模塊可以導(dǎo)出符號（ symbol，對應(yīng)于函數(shù)或變量），這樣其他模塊可以使用本模塊中的變量或函數(shù)。EXPORT_SYMBOL(符號名);EXPORT_SYMBOL_GPL(符號名);

模塊作者等信息聲明（可選）

MODULE_AUTHOR(author);MODULE_DESCRIPTION(description);MODULE_VERSION(version_string);MODULE_DEVICE_TABLE(table_info);MODULE_ALIAS(alternate_name);

編譯

# Makefile2.6TARGET = demo_moduleifneq ($(KERNELRELEASE),)#kbuild syntax. dependency relationshsip of files and target modules are listed here.obj-m := $(TARGET).o else# build from shell directly not in kernel rootCURDIR = $(shell pwd)KVER := $(shell uname -r)KDIR := /lib/modules/$(KVER)/buildall: $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURDIR) modulesclean: $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURDIR) cleaninsert: sudo insmod $(TARGET).koremove: sudo rmmod $(TARGET)endif

重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

大部分的基礎(chǔ)性的驅(qū)動(dòng)操作包括3個(gè)重要的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 稱為 file_operations, file, 和 inode。

file_operations

file_operations 結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容，這些函數(shù)實(shí)際會(huì)在應(yīng)用程序進(jìn)行 Linux 的 open()、 write()、 read()、 close()等系統(tǒng)調(diào)用時(shí)最終被調(diào)用。

struct file_operations { struct module *owner; /* 擁有該結(jié)構(gòu)的模塊的指針，一般為 THIS_MODULES */ loff_t(*llseek)(struct file *, loff_t, int); /* 用來修改文件當(dāng)前的讀寫位置 */ ssize_t(*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t*); /* 從設(shè)備中同步讀取數(shù)據(jù) */ ssize_t(*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t*); /* 向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)*/ ssize_t(*aio_read)(struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t); /* 初始化一個(gè)異步的讀取操作*/ ssize_t(*aio_write)(struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t); /* 初始化一個(gè)異步的寫入操作*/ int(*readdir)(struct file *, void *, filldir_t); /* 僅用于讀取目錄，對于設(shè)備文件，該字段為 NULL */ unsigned int(*poll)(struct file *, struct poll_table_struct*); /* 輪詢函數(shù)，判斷目前是否可以進(jìn)行非阻塞的讀取或?qū)懭?/ int(*ioctl)(struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); /* 執(zhí)行設(shè)備 I/O 控制命令*/ long(*unlocked_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long); /* 不使用 BLK 的文件系統(tǒng)，將使用此種函數(shù)指針代替 ioctl */ long(*compat_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long); /* 在 64 位系統(tǒng)上， 32 位的 ioctl 調(diào)用，將使用此函數(shù)指針代替*/ int(*mmap)(struct file *, struct vm_area_struct*); /* 用于請求將設(shè)備內(nèi)存映射 int(*open)(struct inode *, struct file*); /* 打開 */ int(*release)(struct inode *, struct file*); /* 關(guān)閉*/ int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); /* 刷新待處理的數(shù)據(jù)*/ int(*aio_fsync)(struct kiocb *, int datasync); /* 異步 fsync */ int(*fasync)(int, struct file *, int); /* 通知設(shè)備 FASYNC 標(biāo)志發(fā)生變化*/ ...};

file

file 結(jié)構(gòu)體代表一個(gè)打開的文件（設(shè)備對應(yīng)于設(shè)備文件），系統(tǒng)中每個(gè)打開的文件在內(nèi)核空間都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的 struct file。它由內(nèi)核在打開文件時(shí)創(chuàng)建，并傳遞給在文件上進(jìn)行操作的任何函數(shù)。在文件的所有實(shí)例都關(guān)閉后，內(nèi)核釋放這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

struct file { const struct file_operations *f_op; /* 和文件關(guān)聯(lián)的操作*/ unsigned int f_flags; /*文件標(biāo)志，如 O_RDONLY、 O_NONBLOCK、 O_SYNC*/ fmode_t f_mode; /*文件讀/寫模式， FMODE_READ 和 FMODE_WRITE*/ loff_t f_pos; /* 當(dāng)前讀寫位置*/ void *private_data; /*文件私有數(shù)據(jù),可存儲自定義數(shù)據(jù)的指針*/ ...};

inode

VFS inode 包含文件訪問權(quán)限、屬主、組、大小、生成時(shí)間、訪問時(shí)間、最后修改時(shí)間等信息。它是 Linux 管理文件系統(tǒng)的最基本單位，也是文件系統(tǒng)連接任何子目錄、文件的橋梁。

struct inode { umode_t i_mode; /* inode 的權(quán)限 */ uid_t i_uid; /* inode 擁有者的 id */ gid_t i_gid; /* inode 所屬的群組 id */ dev_t i_rdev; /* 若是設(shè)備文件，此字段將記錄設(shè)備的設(shè)備號 */ loff_t i_size; /* inode 所代表的文件大小 */ struct timespec i_atime; /* inode 最近一次的存取時(shí)間 */ struct timespec i_mtime; /* inode 最近一次的修改時(shí)間 */ struct timespec i_ctime; /* inode 的產(chǎn)生時(shí)間 */ unsigned long i_blksize; /* inode 在做 I/O 時(shí)的區(qū)塊大小 */ unsigned long i_blocks; /* inode 所使用的 block 數(shù)，一個(gè) block 為 512 byte*/ struct block_device *i_bdev; /*若是塊設(shè)備，為其對應(yīng)的 block_device 結(jié)構(gòu)體指針*/ struct cdev *i_cdev; /*若是字符設(shè)備，為其對應(yīng)的 cdev 結(jié)構(gòu)體指針*/ ...};
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