深入探讨Linux驱动开发：驱动介绍与hello驱动实例_linux 驱动开发

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前言

通过之前对于IGKBoard开发板的应用层的学习与开发，现在已经进入了对Linux驱动的学习，对于Linux驱动的学习知识我也会在学习结束，总结汇总后发到我的博客当中，大家可以用作参考。

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一、Linux驱动介绍

1.用户态和内核态

对于Linux的程序开发分为应用程序开发与内核级驱动程序开发，分别对应Linux的用户态和内核态，用户态和内核态之间的交互主要通过系统调用（system call）来实现。系统调用是一种特殊的函数调用，用于在用户态的应用程序中请求操作系统内核执行特权操作，例如访问硬件设备、创建进程、进行文件操作等。举个例子：open() 函数由标准C库提供在用户态运行，而使用它时会触发一个叫 open 的系统调用，从而将控制权转移到内核态， open 系统调用会请求内核打开一个文件并返回一个文件描述符。类似地，write()、read() 和 close() 函数也会触发对应的系统调用。

在内核态中，内核会根据系统调用的参数和请求执行相应的操作，例如在文件系统中创建文件、写入数据、读取数据等。一旦操作完成，内核会将结果返回给用户态应用程序，应用程序再继续在用户态中执行后续的操作。这样，用户态应用程序通过系统调用与内核态进行交互，实现了对操作系统内核的请求和控制，从而完成了对硬件和系统资源的访问和操作。

在Linux系统下，我们可以使用 time 命令查看一个进程(程序) 分别在 用户态 和 内核态运行了多长时间：

2.内核功能介绍

Linux 系统中, 几个并发的进程用来处理不同的任务. 每个进程都需要向操作系统请求系统资源, 如CPU、内存、网络连接或者一些其它的资源, 而这些功能都是通过系统调用来完成的. 这样，Linux内核可以看作是一个大块的可执行文件, 负责处理所有这样的请求。对于Linux内核而言主要功能有：

• 进程管理：内核负责创建、销毁和管理系统中的进程。它负责分配和调度CPU资源，管理进程间的通信和同步，以及处理进程的状态变化。

• 内存管理：内核负责管理系统的物理内存和虚拟内存。它负责分配和回收内存，实现进程的内存隔离和保护，以及处理内存页的交换和页面错误。

• 文件系统：内核负责管理文件系统，包括文件和目录的创建、删除、读写、权限管理等操作。它提供了对文件系统的抽象接口，使应用程序可以访问和操作文件。

• 设备驱动：内核负责管理和控制系统中的硬件设备，如磁盘驱动器、网络接口、USB设备等。它提供了设备驱动程序接口，使应用程序可以与硬件设备进行通信。

• 网络管理：内核负责管理和控制系统中的网络连接，实现了常见的网络协议栈(TCP/IP)，以及对底层网络设备的控制，并对上层提供统一的网络socket编程接口。

3.驱动程序介绍

Linux 驱动是一段用于与硬件设备通信的软件代码，它允许操作系统（如 Linux）与硬件设备之间进行交互和控制。驱动程序通常由硬件厂商或开发者编写，以使硬件设备能够与 Linux 操作系统无缝协同工作。不论硬件的具体形式如何，linux驱动都将其映射成一个设备文件(存放在Linux系统的 /dev 路径下，譬如早期的Linux系统下LCD对应的设备文件就是 /dev/fb0)。

Linux 驱动可以分为多个类型，包括字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动、USB 设备驱动、显示设备驱动、声音设备驱动等。每种类型的驱动都有特定的功能和用途。

驱动程序通常负责处理硬件设备的初始化、配置、数据传输、中断处理、电源管理等任务。它们通过与硬件设备的接口进行通信，将操作系统的请求转换为硬件操作，从而实现对硬件设备的控制和管理。

Linux 驱动的开发和维护对于支持新硬件、改进性能、增加功能和修复漏洞等方面都至关重要。它们对于 Linux 操作系统的正常运行和硬件设备的正确使用具有重要作用。

总而言之，Linux 驱动是一段软件代码，负责实现操作系统与硬件设备之间的通信和控制，是实现硬件设备在 Linux 环境下正常工作的关键组成部分。

二、驱动程序分类与注意事项

1.驱动程序分类

在计算机系统中，驱动程序是用于控制硬件设备的软件模块。Linux系统中的驱动程序按照其功能和使用方式可以分为多种类型，包括但不限于以下几种：

• 字符设备驱动：用于控制字符设备，如终端、串口、打印机等。字符设备驱动将数据视为字符流进行读取和写入，通常使用标准的字符设备文件接口进行访问，如/dev/tty、/dev/serial等。
• 块设备驱动：用于控制块设备，如硬盘、SSD、USB存储等。块设备驱动将数据视为块（固定大小的数据块）进行读取和写入，通常使用块设备文件接口进行访问，如/dev/sda、/dev/nvme0n1等。
• 网络设备驱动：用于控制网络设备，如网卡、无线网卡等。网络设备驱动负责数据的发送和接收，实现网络协议栈的功能，如TCP/IP、UDP、ARP等。
• USB设备驱动：用于控制USB设备，如USB键盘、鼠标、打印机等。USB设备驱动负责管理USB总线和设备的连接、配置和通信。
• 图形设备驱动：用于控制图形显示设备，如显卡、显示器等。图形设备驱动负责控制显示设备的分辨率、刷新率、色彩等参数，并提供图形渲染和显示功能。
• 声音设备驱动：用于控制声音设备，如声卡、扬声器、麦克风等。声音设备驱动负责控制声音的输入、输出、混音等功能。
• 输入设备驱动：用于控制输入设备，如键盘、鼠标、触摸屏等。输入设备驱动负责读取输入设备的输入信号，并将其转换为系统可以识别的输入事件。

注意：以上仅为驱动程序常见的一些分类，实际上驱动程序多种多样，还可能存在其他种类的驱动程序。

2.内核驱动开发注意事项

• 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。所以在编写Linux驱动程序时不能调用printf()函数，而应该使用Linux内核里实现的 printk() 函数，它可以看作是Linux内核里的printf()函数实现。
• Linux应用程序空间中的每个进程都有受保护的4GB的虚拟地址空间，这样我们在应用程序编程出现指针错误时，只会导致该进程退出(通常会抛Segmentation Fault)，并不会导致系统或其它进程奔溃。而Linux内核驱动编程时出现指针错误将可能会导致整个Linux系统死机(通常会抛Kernel Panic)，所以Linux内核驱动编程要异常小心。
• 内核里只有一个很小的定长堆栈，这样在驱动编程时不能像应用程序空间一样随意开辟一段大的存储空间，另外在内核里动态分配的内存使用完成之后务必要要记得释放。
• Linux内核空间不支持浮点运算，这样在驱动程序开发时使用浮点数将会很难，应该使用整型数。譬如我们在写温湿度传感器驱动时，往往不会直接返回一个浮点类型的值。
• 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的编译工具，但是需要对以前的代码做大量的修改。
• 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。
• 内核及驱动程序开发要考虑可移植性，因为对于不同的平台，驱动程序是不兼容的。

三、hello驱动开发

1.驱动模块

Linux驱动有两种运行方式，第一种就是将驱动编译进Linux内核中，这样当Linux内核启动时就会自动运行驱动程序。第二种就是将驱动编译成驱动模块（Linux下模块扩展名为.ko)，在Linux内核启动以后使用"insmod"命令加载驱动模块。

驱动模块（Driver Module）是指一类在Linux内核中编写的、可以在运行时插入或移除的代码，用于控制计算机硬件设备。驱动模块的编写可以避免编写一些繁琐的底层硬件控制代码，大大简化了驱动的开发难度。驱动模块通常是以动态链接库（.ko文件）的形式存储在文件系统中，由内核在需要时进行加载。

在Linux内核中，驱动模块是通过内核编程接口（Kernel Programming Interface，简称KPI）与内核进行交互的。驱动模块可以向内核注册设备驱动程序，处理设备的中断请求，访问和操作硬件设备的寄存器等。因此，驱动模块是实现Linux系统中硬件管理的重要组成部分。

驱动模块的编写需要掌握一定的内核编程技巧和知识，比如对内核数据结构的理解、对设备文件系统的掌握、对内核模块加载机制的熟悉等。同时，驱动模块的编写还需要考虑代码的可移植性、可重用性等方面的问题。

2.模块加载和卸载函数

驱动模块加载函数与卸载函数如下：

module_init(xxx_init);  //模块加载函数
module_exit(xxx_exit);  //模块卸载函数
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__init、 __exit这两个宏是定义在include/linux/init.h中：
__init 宏定义用于标识初始化函数，表示这个函数在模块初始化期间会被调用，执行初始化工作。使用 __init 宏定义的函数在模块初始化完成后，其内存空间可以被释放掉，以便其他程序使用更多的内存空间。

__exit 宏定义用于标识模块卸载函数，表示这个函数在模块被卸载时会被调用，执行卸载操作。使用 __exit 宏定义的函数只在模块被卸载时才会被调用，执行完卸载操作后，该函数所占用的内存空间也可以被释放掉。

因为这些函数只需要初始化或退出一次，所以hello_init()和hello_exit()函数做好在前面加上__init和__exit。

调用函数 module_init 来声明 xxx_init 为驱动入口函数，在使用“insmod"命令来加载驱动的时候，xxx_init函数就会被调用；而调用函数module_exit来声明xxx_exit为驱动出口函数，在使用"rmmod"命令卸载具体驱动的时候，xxx_exit函数就会被调用。

3.编写hello模块

kernel_hello.c

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

static __init int hello_init(void)//驱动入口函数
{
    printk(KERN_ALERT "hello world\n");

    return 0;
}

static __exit void hello_exit(void)//驱动出口函数
{
    printk(KERN_ALERT "Goodbye\n");
}

module_init(hello_init);//驱动加载程序
module_exit(hello_exit);//驱动卸载程序

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");//模块的LICENSE信息
MODULE_AUTHOR("DengYonghao <dengyonghao2001.com>");//模块作者信息
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4.Makefile

KERNAL_DIR ?= /home/dengyonghao/project/IGKdriver/imx6ull/bsp/kernel/linux-imx
PWD :=$(shell pwd)
obj-m := kernel_hello.o

modules:
    $(MAKE) -C $(KERNAL_DIR)  M=$(PWD) modules
    @make clear

clear:
    @rm -f *.o *.cmd *.mod *mod.c
    @rm -rf *~ core .depend .tmp_versions Module.symvers modules.order -f
    @rm -f .*ko.cmd .*.o.cmd .*.o.d
    @rm -f *.unsigned

clean:
    @rm -f *.ko

install:
    @cp *.ko ../../IGKBoard/tftpboot/
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注意：KERNAL_DIR开发板所运行的源码路径等需要修改为自己的。

四、运行测试

1. 首先通过tftp把我们写好的hello驱动模块下载到开发板上；
2. 然后通过insmod和rmmod命令加载和卸载hello模块；
3. 通过dmesg命令结合tail命令查看驱动程序日志的最后一行；

可见我们成功加载了hello驱动模块，然后又成功卸载了hello驱动模块，测试成功。

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总结

本篇博客主要介绍了Linux驱动的基础知识和开发流程。首先，我们了解了用户态和内核态的区别以及内核的基本功能。接着，我们介绍了驱动程序的分类和开发注意事项。其次，我们详细讲解了hello驱动的开发过程，包括驱动模块、模块加载和卸载函数、编写hello模块和Makefile。最后，我们运行测试验证了驱动程序的正确性。通过本篇博客的学习，读者可以初步了解Linux驱动的基础知识和开发流程，有助于进一步深入学习和实践。