玩转Linux设备驱动你需要弄懂这些问题

Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议。它支持32位和64位硬件。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。

想要深入理解linux设备驱动，你必须明确以下几个问题：

• 应用程序、库、内核、驱动程序的关系

• 设备类型

• 设备文件、主设备号与从设备号

• 驱动程序与应用程序的区别

• 用户态与内核态

• Linux驱动程序功能

一、应用程序、库、内核、驱动程序的关系

1) 应用程序调用一系列函数库，通过对文件的操作完成一系列功能。

应用程序以文件形式访问各种硬件设备(Linux特有的抽象方式，把所有的硬件访问抽象为对文件的读写、设置)

函数库：

部分函数无需内核的支持，由库函数内部通过代码实现，直接完成功能

部分函数涉及到硬件操作或内核的支持，由内核完成对应功能，我们称其为系统调用

2) 内核处理系统调用，根据设备文件类型、主设备号、从设备号(后面会讲解)，调用设备驱动程序。

3) 设备驱动直接与硬件通信。

二、设备类型

硬件是千变万化的，没有八千也有一万了，就像世界上有三种人：男人、女人、女博士一样，linux做了一个很伟大也很艰难的分类：把所有的硬件设备分为三大类：字符设备、块设备、网络设备。

1) 字符设备：字符(char)设备是个能够像字节流(类似文件)一样被访问的设备。

对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O操作一般紧接着发生;

字符设备驱动程序通常至少要实现open、close、read和write系统调用。

比如我们常见的lcd、触摸屏、键盘、led、串口等等，就像男人是用来干活的一样，他们一般对应具体的硬件都是进行出具的采集、处理、传输。

2) 块设备：一个块设备驱动程序主要通过传输固定大小的数据(一般为512或1k)来访问设备。

块设备通过buffer cache(内存缓冲区)访问，可以随机存取，即：任何块都可以读写，不必考虑它在设备的什么地方。

块设备可以通过它们的设备特殊文件访问，但是更常见的是通过文件系统进行访问。

只有一个块设备可以支持一个安装的文件系统。

比如我们常见的电脑硬盘、SD卡、U盘、光盘等，就像女人一样是用来存储信息的。

3) 网络接口：任何网络事务都经过一个网络接口形成，即一个能够和其他主机交换数据的设备。

访问网络接口的方法仍然是给它们分配一个唯一的名字(比如eth0)，但这个名字在文件系统中不存在对应的节点。

内核和网络设备驱动程序间的通信，完全不同于内核和字符以及块驱动程序之间的通信，内核调用一套和数据包传输相关的函数(socket函数)而不是read、write等。

比如我们常见的网卡设备、蓝牙设备，就像女博士一样，数量稀少但又不可或缺。

linux中所有的驱动程序最终都能归到这三种设备中，当然他们之间也没有非常严格的界限，这些都是程序中对他们的划分而已，比如一个sd卡，我们也可以把它封装成字符设备去操作也是没有问题的。就像。。。

三、设备文件、主设备号、从设备号

有了设备类型的划分，那么应用程序应该怎样访问具体的硬件设备呢?

或者说已经确定他是一个男人了，那么怎么从万千世界中区分他与他的不同呢?

答案是：姓名，在linux驱动中也就是设备文件名。

那么重名怎么办?

答案是：身份证号，在linux驱动中也就是设备号(主、从)。

设备文件：

在linux系统中有一个约定俗成的说法:“一切皆文件”，应用程序使用设备文件节点访问对应设备， Linux下的各种硬件设备以文件的形式存放于/dev目录下，可以使用ls /dev 查看Linux把对硬件的操作全部抽象成对文件的操作(open,read,write,close,…)

每个设备文件都有其文件属性(c或者b)，使用ls /dev -l 的命令查看， 表明其是字符设备或者块设备，网络设备没有在这个文件夹下，用来明其性别(男人、女人)

主设备号、从设备号

在设备管理中，除了设备类型外，内核还需要一对被称为主从设备号的参数，才能唯一标识一个设备，类似人的身份证号

主设备号：

用于标识驱动程序，相同的主设备号使用相同的驱动程序，例如：S3C2440 有串口、LCD、触摸屏三种设备，他们的主设备号各不相同;

从设备号：

用于标识同一驱动程序的不同硬件

例：PC的IDE设备，主设备号用于标识该硬盘，从设备号用于标识每个分区，2440有三个串口，每个串口的主设备号相同，从设备号用于区分具体属于那一个串口。

四、驱动程序与应用程序的区别

应用程序以main开始

驱动程序没有main，它以一个模块初始化函数作为入口

应用程序从头到尾执行一个任务

驱动程序完成初始化之后不再运行，等待系统调用

应用程序可以使用glibc等标准C函数库

驱动程序不能使用标准C库

五、用户态与内核态的区分

驱动程序是内核的一部分，工作在内核态

应用程序工作在用户态

数据空间访问问题

无法通过指针直接将二者的数据地址进行传递

系统提供一系列函数帮助完成数据空间转换

get_user

put_user

copy_from_user

copy_to_user

六、Linux驱动程序功能

对设备初始化和释放资源

把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据

读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据

检测和处理设备出现的错误(底层协议)

用于区分具体设备的实例