1 應(yīng)用程序、庫(kù)、內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)系

從上到下，一個(gè)軟件系統(tǒng)可以分為：應(yīng)用程序、庫(kù)、操作系統(tǒng)(內(nèi)核)、驅(qū)動(dòng)程序。開(kāi)發(fā)人員可以專(zhuān)注于自己熟悉的部分，對(duì)于相鄰層，只需要了解它的接口，無(wú)需關(guān)注它的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

以點(diǎn)亮一個(gè) LED 為例，這 4 層軟件的協(xié)作關(guān)系如下，如圖 1 所示

圖1

1). 應(yīng)用程序使用庫(kù)提供的 open 函數(shù)打開(kāi)代表 LED 的設(shè)備文件。

2). 庫(kù)根據(jù) open 函數(shù)傳入的參數(shù)執(zhí)行“SWI”指令，這條指令會(huì)引起 CPU 異常，進(jìn)入內(nèi)核。

3). 內(nèi)核的異常處理函數(shù)根據(jù)這些參數(shù)找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，返回一個(gè)文件句柄給庫(kù)，進(jìn)而返回給應(yīng)用程序

4). 應(yīng)用程序得到文件句柄后，使用庫(kù)提供的 write 或 ioclt 函數(shù)發(fā)出控制命令。

5). 庫(kù)根據(jù) write 和 ioclt 函數(shù)傳人的參數(shù)執(zhí)行 “swi” 指令， 這條指令會(huì)引起 CPU 異常，進(jìn)入內(nèi)核。

6). 內(nèi)核的異常處理函數(shù)根據(jù)這些參數(shù)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的相關(guān)函數(shù)，點(diǎn)亮 LED。庫(kù)(比如 glibc)給應(yīng)用程序提供的 open、read、write、ioctl、mmap 等接口函數(shù)被稱(chēng)為系統(tǒng)調(diào)用，它們都是設(shè)置好相關(guān)寄存器后，執(zhí)行某條指令引發(fā)異常進(jìn)入內(nèi)核。除系統(tǒng)調(diào)用接口外， 庫(kù)還提供其他函數(shù)， 比如字符串處理函數(shù)(strcpy、 strcmp 等)、 輸入/輸出函數(shù)(scanf、printf 等)、數(shù)學(xué)庫(kù)，還有應(yīng)用程序的啟動(dòng)代碼等。

在異常處理函數(shù)中，內(nèi)核會(huì)根據(jù)傳入的參數(shù)執(zhí)行各種操作，比如根據(jù)設(shè)備文件名找到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的相關(guān)函數(shù)等。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用 open、read、write、ioctl、mmap 等函數(shù)后，將會(huì)使用驅(qū)動(dòng)程序中的 open、read、write、ioctl、mmap 函數(shù)來(lái)執(zhí)行相關(guān)操作，比如初始化、讀、寫(xiě)等。

實(shí)際上，內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序之間并沒(méi)有界線，因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序最終是要編進(jìn)內(nèi)核去的：通過(guò)靜態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)加載。

從上面操作 LED 的過(guò)程可以知道，與應(yīng)用程序不同，驅(qū)動(dòng)程序從不主動(dòng)運(yùn)行，它是被動(dòng)的：根據(jù)應(yīng)用程序的要求進(jìn)行初始化，根據(jù)應(yīng)用程序的要求進(jìn)行讀寫(xiě)。驅(qū)動(dòng)程序加載進(jìn)內(nèi)核時(shí)，只是告訴內(nèi)核“我在這里，我能做這些工作” ，至于這些“工作”何時(shí)開(kāi)始，取決于應(yīng)用程序。當(dāng)然，這不是絕對(duì)的，比如用戶(hù)完全可以寫(xiě)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘觸發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序，讓它自動(dòng)點(diǎn)亮 LED。

在 Linux 系統(tǒng)中，應(yīng)用程序運(yùn)行于“用戶(hù)空間” ，擁有 MMU 的系統(tǒng)能夠限制應(yīng)用程序的權(quán)限(比如將它限制于某個(gè)內(nèi)存塊中)，這可以避免應(yīng)用程序的錯(cuò)誤使整個(gè)系統(tǒng)崩潰。而驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行于“內(nèi)核空間” ，它是系統(tǒng)“信任”的一部分，驅(qū)動(dòng)程序的錯(cuò)誤有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

2 Linux 驅(qū)動(dòng)程序分類(lèi)

Linux 的外設(shè)可以分為 3 類(lèi)：自費(fèi)設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口。

字符設(shè)備是能夠像字節(jié)流(比如文件)一樣被訪問(wèn)的設(shè)備，就是說(shuō)對(duì)它的讀寫(xiě)是以字節(jié)為單位的。 比如串口在進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)就是一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)的進(jìn)行的，我們可以在驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部使用緩沖區(qū)來(lái)存放數(shù)據(jù)以提高效率，但是串口本身對(duì)這并沒(méi)有要求。字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)了 open、close、read、write 等系統(tǒng)調(diào)用，應(yīng)用程序可以通過(guò)設(shè)備文件(比如/dev/ttySAC0 等)來(lái)訪問(wèn)字符設(shè)備。

塊設(shè)備上的數(shù)據(jù)以塊的形式存放，比如 NAND Flash 上的數(shù)據(jù)就是以頁(yè)為單位存放的。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向用戶(hù)層提供的接口與字符設(shè)備一樣， 應(yīng)用程序也可以通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備文件(比如/dev/mtdblock0、/dev/hda1 等)來(lái)調(diào)用 open、close、read、write 等系統(tǒng)調(diào)用，與塊設(shè)備傳送任意字節(jié)的數(shù)據(jù)。對(duì)用戶(hù)而言，字符設(shè)備和塊設(shè)備的訪問(wèn)方式?jīng)]有差別。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特別之處如下。

1). 操作硬件的接口實(shí)現(xiàn)方式不一樣。

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序先將用戶(hù)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)組織成塊，再寫(xiě)入設(shè)備；或從設(shè)備中讀出若干塊數(shù)據(jù)，再?gòu)闹刑舫鲇脩?hù)需要的。

2). 數(shù)據(jù)塊上的數(shù)據(jù)可以有一定的格式。

通常在塊設(shè)備中按照一定的格式存放數(shù)據(jù)，不同的文件系統(tǒng)類(lèi)型就是用來(lái)定義這些格式的。內(nèi)核中，文件系統(tǒng)的層次位于塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上面，這意味著塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序除了向用戶(hù)層提供與字符設(shè)備一樣的接口外，還要向內(nèi)核其他部件提供一些接口，這些接口用戶(hù)是看不到的。這些接口使得可以在塊設(shè)備上存放文件系統(tǒng)，掛載塊設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)接口同時(shí)具有字符設(shè)備、塊設(shè)備的部分特點(diǎn)，無(wú)法將它歸入這兩類(lèi)中：如果說(shuō)它是字符設(shè)備，他的輸入/輸出卻是有結(jié)構(gòu)的、成塊的(報(bào)文、包、幀)；如果說(shuō)它是塊設(shè)備，它的“塊”又不是固定大小的，大到數(shù)百甚至數(shù)千字節(jié)，小到幾字節(jié)。UNIX 式的操作系統(tǒng)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)接口的方法是給它們分配一個(gè)惟一的名字(比如 eth0)，但這個(gè)名字在文件系統(tǒng)中(比如/dev 目錄下)不存在對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)項(xiàng)。應(yīng)用程序、內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序間的通信完全不同于字符設(shè)備、塊設(shè)備，庫(kù)、內(nèi)核提供了一套和數(shù)據(jù)包傳輸相關(guān)的函數(shù)，而不是 open、read、write 等。

3 Linux 驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)步驟

Linux 內(nèi)核就是由各種驅(qū)動(dòng)組成的，內(nèi)核源碼中有大約 85%是各種驅(qū)動(dòng)程序的代碼。內(nèi)核中驅(qū)動(dòng)程序種類(lèi)齊全，可以在同類(lèi)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改以符合具體單板。

編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的難點(diǎn)并不是硬件的具體操作，而是弄清楚現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)程序的框架，在這個(gè)框架中加入這個(gè)硬件。比如，x86 架構(gòu)的內(nèi)核對(duì) IDE 硬盤(pán)的支持非常完善：首先通過(guò) BIOS 得到硬盤(pán)的信息，或者使用默認(rèn) I/O 地址去枚舉硬盤(pán)，然后識(shí)別分區(qū)、掛載文件系統(tǒng)。對(duì)于其他架構(gòu)的內(nèi)核，只是要指定了硬盤(pán)的訪問(wèn)地址和中斷號(hào)，后面的枚舉、識(shí)別和掛接的過(guò)程完全是一樣的。也許修改的代碼不超過(guò) 10 行，花費(fèi)精力的地方在于：了解硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)的框架， 找到修改的位置。

編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序還有很多需要注意的地方，比如：驅(qū)動(dòng)程序可能同時(shí)被多個(gè)進(jìn)程使用，這需要考慮并發(fā)的問(wèn)題；盡可能發(fā)揮硬件的作用以提高性能。比如在硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序中既可以使用 DMA 也可以不用，使用 DMA 時(shí)程序比較復(fù)雜，但是可以提高效率；處理硬件的各種異常情況(即使效率低)，否則出錯(cuò)時(shí)可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

一般來(lái)說(shuō)，編寫(xiě)一個(gè) Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的大致流程如下。

1). 查看原理圖、數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解設(shè)備的操作方法。

2). 在內(nèi)核中找到相近的驅(qū)動(dòng)程序，以它為模板進(jìn)行開(kāi)發(fā)，有時(shí)候需要從零開(kāi)始。

3). 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的初始化：比如向內(nèi)核注冊(cè)這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，這樣應(yīng)用程序傳入文件名時(shí)，內(nèi)核才能找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

4). 設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的操作，比如 open、close、read、write 等函數(shù)。

5). 實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)(中斷并不是每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)所必須的)。

6). 編譯該驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)核中，或者用 insmod 命令加載。

7). 測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序。

4 驅(qū)動(dòng)程序的加載和卸載

可以將驅(qū)動(dòng)程序靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核中，也可以將它作為模塊在使用時(shí)再加載。在配置內(nèi)核時(shí)，如果某個(gè)配置選項(xiàng)被設(shè)為 m，就表示它將會(huì)被編譯成一個(gè)模塊。在 2.6 的內(nèi)核中，模塊的擴(kuò)展名為.ko，可以使用 insmod 命令加載，使用 rmmod 命令卸載，使用 lsmod 命令查看內(nèi)核中已經(jīng)加載了哪些模塊。

當(dāng)使用 insmod 加載模塊時(shí)，模塊的初始化函數(shù)被調(diào)用，它用來(lái)向內(nèi)核注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序； 當(dāng)使用 rmmod 卸載模塊時(shí)，模塊的清除函數(shù)被調(diào)用。在驅(qū)動(dòng)代碼中，這兩個(gè)函數(shù)要么取固定的名字：init_module 和 cleanup_module，要么使用以下兩行來(lái)標(biāo)記它們(假設(shè)初始化函數(shù)、清除函數(shù)為 my_init 和 my_cleanup)。

moudle_init(my_init);

module_exit(my_cleanup);