[系统运维]linux设备驱动开发基础（一）

?参考：《Linux驱动开发入门与实战》

????????设备驱动程序时计算机硬件与应用程序的接口，是软件系统与硬件系统沟通的桥梁。

1. 设备驱动的分类

????????Linux将设备分为3大类，分别是字符设备、块设备、网络设备。每一个字符设备或块设备都在/dev目录下对应一个设备文件。linux用户程序通过设备文件（或称设备节点）使用驱动程序操作字符设备和块设备。

1.1 字符设备是指只能一个字节一个字节读写数据的设备，不能随机读取设备内存中的某一数据，读取数据需要按照先后顺序。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED设备等。

1.2 块设备是指可以从设备的任意位置读取一定长度数据的设备。其读取数据不必按照先后顺序，可以定位到设备的某一具体位置。块设备包括硬盘、磁盘、U盘和SD卡等。块设备比字符设备需要有更复杂的结构来描述。在Linux内核中，块设备与字符设备驱动有完全不同的API。

1.3 网络设备主要负责主机之间的数据交换，是面向数据包的接受和发送而设计的。网络设备在Linux操作系统中是一种非常特殊的设备，其没有实现类似字符设备和块设备的read()、write()、ioctl()等函数。网络设备通过套接字接口来完成网络数据传输。

2. 用户态和内核态

????????Linux操作系统分为用户态和内核态。用户态处理应用层的业务，然后通过系统调用向内核态发送操作请求，内核态响应用户态的请求，从而实现对具体硬件设备的操作。

????????应用态程序只能通过系统调用或硬件中断访问内核态程序。当应用程序执行系统调用或被硬件中断挂起时，Linux操作系统会从应用态切换到内核态。当系统调用或硬件中断处理完成完成后，操作系统会从内核态返回到用户态，继续执行应用程序。

????????应用态和内核态的划分，有以下优点：

2.1 容易移植：应用态不需要了解硬件的具体工作原理，就能很好的操作硬件设备。

2.2 安全性：应用态和内核态处于不同的地址空间，应用态程序不会因为一些错误破坏内核态程序，也就不会因为应用态的程序错误导致内核崩溃。

3. 模块机制

????????模块是可以在运行时加入内核的代码。模块机制的引入一方面扩展了内核的功能，另一方面减小了内核的大小。

????????模块是由编译好的目标代码组成的，可以使用insmod命令将模块加载到正在运行的内核，可以使用rmmod命令将一个未使用的模块从内核删除（但是不能删除一个正在使用的模块）。

????????模块在内核启动时装在称为静态装载，在内核已经运行时装载成为动态装载。

????????一个模块最基本的框架代码如下：

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

int __init xxx_init(void)
{
/* 模块加载时的初始化工作 */
return 0;
}
int __exit xxx_exit(void)
{
/* 模块卸载时的销毁工作 */
return 0;
}
module_init(xxx_init); /* 指定模块初始化函数的宏 */
module_exit(xxx_exit);/* 指定模块卸载函数的宏 */

4. 注意

????????内核及驱动程序的开发与应用程序开发有很大不同，最重要的差异如下：

4.1 内核及驱动程序开发时不能访问C库，因为C库是使用内核中的系统调用来实现的，而且是在用户空间实现的。

4.2 内核及驱动程序开发时必须使用GNU C，因为Linux操作系统从一开始就使用的是GNU C，虽然也可以使用其他编译工具，但是需要对以前的代码做大量的修改。

4.3 内核支持异步终端、抢占和SMP，因此内核及驱动程序开发时必须时刻注意同步和并发。

4.4 内核只有一个很小的定长堆栈。

4.5 内核及驱动程序开发时缺乏像用户空间那样的内存保护机制。

4.6 内核及驱动程序开发时浮点数很难使用，应该使用整形数。

4.7 内核及驱动程序开发要考虑可移植性，因为不同的平台，驱动程序是不兼容的。?