Linux驱动开发入门_linux驱动开发需要懂硬件吗

1、Linux设备驱动的基本概念

 

设备驱动程序（Device Driver），简称驱动程序（Driver）。它是一个允许计算机软件与硬件交互的程序。这种程序建立了一个硬件与硬件，或硬件与软件沟通的界面。CPU经由主板上的总线（Bus）或其他沟通子系统（Subsystem）与硬件形成连接，这样的连接使得硬件设备之间的数据交换成为可能。

 

驱动程序是提供硬件到操作系统的一个接口，并且协调二者之间的关系。

 

计算机系统的主要硬件由CPU、存储器和外部设备组成。驱动程序的对象一般是存储器和外部设备。Linux将这些设备分为3大类，分别是字符设备、块设备、网络设备。

1、字符设备

字符设备是指那些能一个字节一个字节读取数据的设备，如LED灯、键盘、鼠标等。字符设备一般需要在驱动层实现open()、close()、read()、write()、ioctl()等函数。这些函数最终将被文件系统中的相关函数调用。内核为字符设备对应一个文件，/dev/console。对字符设备的操作可以用个字符设备文件/dev/console来进行。

2、块设备

在linux系统中，进行块设备读写时，每次只能传输一个或者多个块。

3、网络设备

网络设备主要负责主机之间的数据交换。

 

用户态和内核态：

用户态处理上层的软件工作。

内核态用来管理用户态的程序，完成用户态请求的工作。

 

模块机制

模块是可以在运行时加入内核的代码。模块在内核启动时装载称为静态装载，在内核已经运行时装载称为动态装载。

 

驱动开发需掌握的知识：

1、C

2、硬件基础。不要求设计电路，但对芯片手册上描述的接口设备有清楚的认识。比如SRAM、Flash、UART、IIC、USB等。

3、Linux内核源代码。一些重要的数据结构和函数。

4、多任务程序设计的能力。

 

驱动开发与应用开发的差异：

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。

2、内核及驱动程序开发时必须使用GNU C，因为Linux从一开始就使用GNU C。

3、内核支持异步终端、抢占和SMP，故必须注意同步和并发。

4、内核只有一个很小的定长堆栈。

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。

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。

7、内核及驱动程序开发要考虑可移植性。

 

2、Linux 源码结构分析

1、arch目录 (平台目录）

包含与体系结构平台相关的代码，每一种平台都有一种相应的目录。

2、drivers目录

包含了Linux内核支持的大部分驱动程序。

3、fs目录

所有文件系统相关的代码。

4、其他目录

 

3、内核配置选项：

为简化内核源代码的编译，有如下机制：

1、Makefile 文件：它的作用是根据配置的情况，构造出需要编译的源文件列表，然后分别编译，并把目标代码链接到一起，最终形成Linux内核二进制文件。由于Linux内核源代码是按照树形结构组织的，所以Makefile也被分布在目录树中。

2、Kconfig 文件：它的作用是为用户提供一个层次化的配置选项集。make menuconfig 命令通过分布在各个子目录中的Kconfig 文件构建配置用户界面。

3、配置文件（.config）：当用户配置完后，将配置信息保存在.config 文件中。

4、配置工具：包括配置命令解释器和配置用户界面。

 

当执行menuconfig 命令时，配置程序会依次从目录由浅入深查找每一个Kbuild文件，依照这个文件中的数据生成一个配置菜单。Kbuild像是一个分布在各个目录中的配置数据库，通过这个数据库可以生成配置菜单。在配置菜单中根据需要配置完成后会在主目录下生成一个.config文件，此文件保存了配置信息。

然后执行make命令，会依赖生成的.config文件，以确定哪些功能将编译入内核中，哪些功能不编译入内核中。然后递归地进入每一个目录，寻找Makefile文件，编译相应的代码。

3.1、常规配置： 包含关于内核的大量配置，（代码成熟度、版本信息、模块配置）

 

3.2、版本信息：

 

3.3、模块配置：

3.4、块设备层配置：包含对系统使用的块设备的配置，主要包含调度器的配置，硬盘设备的配置。

 

3.5、CPU类型和特性配置：

 

3.6、电源管理配置：

3.7、网络配置：

3.8、设备驱动配置：

通用设备：

 

字符设备配置：

多媒体设备驱动配置：

USB设备驱动配置：

 

3.9、文件系统配置：

4、嵌入式文件系统基本知识：

Linux支持多种文件系统，包括 ext2、ext3、vfat、ntfs、iso9660、jffs、romfs、cramfs、nfs 等。为了统一管理，Linux引入虚拟文件系统 VFS（Virtual FILE System）。

Linux 文件系统由 4 层组成，分别是用户层、内核层、驱动层、和硬件层。

用户层：为用户提供一个操作接口。

内核层：实现了各种文件系统。

驱动层：是块设备的驱动程序。

硬件层：是嵌入式系统使用的几种存储器。

 

Linux启动时，第一个必须挂载的是  根文件系统。

 

嵌入式系统的存储介质：

 

JFFS文件系统：主要用于NOR型Flash存储器。其基于MTD驱动层。可读写、支持数据压缩、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃掉电安全保护，提供“写平衡”支持。

YAFFS文件系统：专门为NAND Flash存储器设计的嵌入式文件系统。适用于大容量的存储设备。速度快，占用内存少，不支持压缩和只支持NAND Flash存储器。

 

根文件系统

根文件系统被存储在Flash存储器中，存储器被分为多个分区，（分区1，分区2，分区3等。）

分区1一般存储Linux内核映像文件，分区2存放根文件系统，根文件系统中存放着系统启动必须的文件和程序（包括提供用户界面的shell程序、应用程序依赖的库、配置文件等）。

内核启动后运行的第一个程序是init，其将启动根文件系统中的shell程序，给用户提供一个友好的操作界面。

 

 

构建根文件系统：

第一种方法：下载相应的命令源码，并移植到处理器架构平台上。

第二种方法：使用开源工具构建。（BusyBox、TinyLogin、Embutils）