基本概念

什么是设备驱动

计算机的运行，需要软件和硬件的合作，没有软件的硬件，是一堆废铁，没有硬件的软件，是空中楼阁，软件运行在硬件基础之上。

软件又分为系统软件和应用软件，系统软件屏蔽了底层硬件的差异，向应用层提供统一的接口，因而应用层的程序员，不需要知道不同网卡、硬盘等硬件之间有什么差异，只需要调用相同的读写函数，即可完成对设备的读写操作。这个屏蔽具体硬件差异过程的重任，就落到了设备驱动的头上。设备驱动程序，仅仅是系统软件的一部分。

设备驱动是底层硬件和上层应用之间的纽带，设备驱动最通俗的解释是：驱使硬件设备行动。设备驱动与底层硬件直接打交道，完成寄存器的读写等、中断处理等等操作。

无操作系统下的驱动

计算机的运转不一定需要操作系统，目前stm8，stm32等主流单片机都可以直接跑裸机程序，一般认为只需要完成main函数和中断服务函数即可（当然IDE也帮我们完成了很多其它的底层工作）。这样简单的应用场景，并不需要操作系统提供的多任务调度，内存管理，文件系统等功能。

虽然没有操作系统，但是并不意味着没有驱动程序。一般情况下，每一个硬件设备，都对应了一个.c和.h文件，例如EEPROM芯片AT24C04，在程序中肯定会对该芯片多次的进行读写操作，为了方便，肯定会将这些重复使用的代码实现为函数，加入到整个工程之中，这些代码，也可以称之为驱动。只不过这些驱动程序的接口直接提供给应用层，应用层没有跨越任何层次，就直接访问到了底层硬件。

有操作系统下的驱动

驱动程序属于内核的一部分，内核是操作系统最核心的部分，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性，因此驱动程序要按照内核的规定的格式和提供的接口来写。

在有操作系统的情况下，驱动程序其实是连接硬件和内核的一个桥梁，操作系统的存在，让驱动程序增加了很多代码，操作系统就是通过给驱动程序编写者制造麻烦，达到方便应用开发者的目的。

linux设备分类

驱动设备针对的存储器和外设，而不是针对cpu内核，linux系统将存储器和外设分为三大类：

字符设备
块设备
网络设备

字符设备

字符设备指那些必须以串行顺序依次进行访问（字符流）的设备，如键盘、鼠标、串口等，系统虚拟出一个文件，对该文件调用读写函数（read、write）即可完成对字符设备的操作

块设备

系统可以随机访问快设备，以块为单位进行操作，如硬盘、FLASH、CD-ROM等，系统虚拟出一个文件，或者在块设备上建立文件系统，对这些文件调用读写函数（read、write）即可完成对块设备的操作

网络设备

网络设备通常指有线网卡、无线网卡等，网络设备面向数据包的接收和发送而设计，与字符设备和块设备不同，网络通信主要依靠套接字接口

内核的组成

源码目录结构

Linux 内核源代码包含如下目录。

arch ：包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录，如 i386、arm、
arm64、powerpc、mips 等。Linux 内核目前已经支持 30 种左右的体系结构。在 arch
目录下，存放的是各个平台以及各个平台的芯片对 Linux 内核进程调度、内存管理、
中断等的支持，以及每个具体的 SoC 和电路板的板级支持代码。
block：块设备驱动程序 I/O 调度。
crypto：常用加密和散列算法（如 AES、SHA 等），还有一些压缩和 CRC 校验算法。
documentation：内核各部分的通用解释和注释。
drivers ：设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录，如 char、block、net、
mtd、i2c 等。
fs：所支持的各种文件系统，如 EXT、FAT、NTFS、JFFS2 等。
include：头文件，与系统相关的头文件放置在 include/linux 子目录下。
init：内核初始化代码。著名的 start_kernel() 就位于 init/main.c 文件中。
ipc：进程间通信的代码。
kernel ：内核最核心的部分，包括进程调度、定时器等，而和平台相关的一部分代码
放在 arch/*/kernel 目录下。
ib：库文件代码。
mm：内存管理代码，和平台相关的一部分代码放在 arch/*/mm 目录下。
net：网络相关代码，实现各种常见的网络协议。
scripts：用于配置内核的脚本文件。
security：主要是一个 SELinux 的模块。
sound：ALSA、OSS 音频设备的驱动核心代码和常用设备驱动。
usr：实现用于打包和压缩的 cpio 等。
include：内核 API 级别头文件。

内核主要组成部分

进程调度SCHED

进程调度控制系统使得多个进程在CPU的中微观上分时执行，宏观上并发执行
进程整体上可以分为五种状态：

就绪态：资源准备就绪，等待系统调用该进程
执行态：当前CPU正在执行该进程
睡眠态：等待其它进程释放资源
暂停态：停止执行，等待某种信号
僵尸态：进程已死，资源未释放

内存管理MM

内存管理的主要作用是控制多个进程安全地共享主内存区域。当CPU提供内存管理单元（MMU）时，Linux内存管理对每个进程提供虚拟地址到物理地址的转换

每个进程拥有虚拟的4G内存空间，其中3G是用户空间，是属于进程私有的，1G是内核空间，是所有进程共享的

虚拟文件系统VFS

用户通过虚拟文件系统，对文件进行操作，即可达到访问硬件的目的，虚拟文件系统隐藏了硬件差异，向上为用户提供统一的接口，向下调用驱动程序实现的file_operations结构体中的成员函数

网络接口NET

网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。在 Linux中网络接口可分为网络协议和网络驱动程序，网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

进程间通信IPC

Linux支持进程间通信的多种机制，包括信号量、共享内存、消息队列、管道、套接字等。利用这些机制，可以实现进程间的同步、互斥和消息传递。

内核代码命名风格

与windows下流行的编程命名风格不同，linux社区形成了自己的一套风格

#define PI 3.1415926
int min_value, max_value;
void send_data(void);

宏：大写
变量：全部小写，单词之间以下划线分隔
函数：同变量
缩进：tab键
括号{}：
1.if、for、switch、while、else、else if { 不会另起一行
2.函数的 { 需要另起一行
3.只有一行代码，不要用括号{}
switch：switch、case、default关键字左对齐

GNU C对ANSI C的拓展

Linux使用的C编译器是GNU C编译器，对标准C进行了一系列拓展，增强C的功能

变长数组

GNU C可以使用0长度数组，也可以使用变量定义数组长度

struct var_data {
int len;
char data[0];
};

int n=10;
int array[n];

其实也就是C99中新增加的伸缩数组和变长数组的概念

伸缩的意思是，比如定义一个结构体，可以让其成员拥有不固定的长度，因此用sizeof去求该结构体类型，会忽略掉不固定的部分，而实际定义的时候，一般需要用malloc进行内存分配

变长数组不是指数组的长度在程序运行期间可变，而是指定义时可以利用变量，对长度进行说明，一旦定义了一个数组，其长度就不能变了

case

GNU C 支持 case x…y 这样的语法，区间 [x,y] 中的数都会满足这个 case 的条件

switch (ch) {
case '0'... '9': c -= '0';
break;
case 'a'... 'f': c -= 'a' - 10;
break;
case 'A'... 'F': c -= 'A' - 10;
break;
}

语句表达式

GNU C 把包含在括号中的复合语句看成是一个表达式，称为语句表达式，它可以出现在任何允许表达式的地方。我们可以在语句表达式中使用原本只能在复合语句中使用的循环、局部变量等，

typeof关键字

typeof(x) 语句可以获得 x 的类型，可以方便一些宏的实现，例如求两数中较大的值
# define max(a,b) ...
具体实现中，需要先判断传入数据的类型，此处可以通过typeof进行判断

标号元素

C99标准已经增加了标号元素的使用，也就是数组、结构体等初始化过程不需要按顺序来，可以随意指定，例如：

int a[10] = {
    [1] = 2,
    [3] = 5,
    0,
}

在Linux内核代码中，推荐以下格式进行初始化：

struct file_operations ext2_file_operations = {
    .llseek       = generic_file_llseek,
    .read        = generic_file_read,
    ...
};

特殊属性说明

GNU C 允许声明函数、变量和类型的特殊属性，以便手动优化代码和定制代码检查的方法。要指定一个声明的属性，只需要在声明后添加_ _attribute_ _ (( ATTRIBUTE ))。

其中 ATTRIBUTE 为属性说明，如果存在多个属性，则以逗号分隔。GNU C 支持 noreturn、format、section、aligned、packed 等十多个属性

noreturn 属性作用于函数，表示该函数从不返回。这会让编译器优化代码，并消除不必要的警告信息
format 属性也用于函数，表示该函数使用 printf、scanf 或 strftime 风格的参数，指定format 属性可以让编译器根据格式串检查参数类型
unused 属性作用于函数和变量，表示该函数或变量可能不会用到，这个属性可以避免编译器产生警告信息
aligned 属性用于变量、结构体或联合体，指定变量、结构体或联合体的对齐方式，以字节为单位
packed 属性作用于变量和类型，用于变量或结构体成员时表示使用最小可能的对齐，用于枚举、结构体或联合体类型时表示该类型使用最小的内存

内建函数

内建函数是编译器内部实现的函数，这些函数可以直接使用，无须声明或者添加头文件，不属于标准库函数的内建函数通常以_ _builtin开头，还有一小部分内建函数与标准库函数同名，不过编译器做了优化或者重构。

工具链

最方便的就是直接下载已经编译好的工具链，目前最常用的是Linaro提供的，可以在下面的网址进行下载

http://www.linaro.org/downloads/

Linaro 是 ARM Linux 领域中最著名最具技术成就的开源组织，其会员包括 ARM、Broadcom、Samsung、TI、Qualcomm 等，国内的海思、中兴、全志和中国台湾的 MediaTek 也是它的会员

工具链包含了很多程序，例如arm-linux-gnueabihf-gcc
下面介绍一下常用的几种

gcc：编译C源码
g++：编译C++源码
gdb：调试
strip：删除符号表和调试信息，缩减可执行文件的体积
objdump：反汇编
ld：链接器
gprof：检查函数被调用的次数和时间
nm：显示符号信息
readelf：查看ELF格式文件信息
addr2line：将指令的地址和可执行映像转换为文件名、函数名和源代码行数的工具

环境搭建

练习驱动程序开发，最好的方式是虚拟机+qemu，不需要额外购买开发板，具体搭建的过程可以参考我之前的博客

https://blog.csdn.net/whitefish520/article/details/103850361

linux设备驱动（一）

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