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1. 什么是驅(qū)動

驅(qū)動就是對底層硬件設(shè)備的操作進行封裝，并向上層提供函數(shù)接口。

設(shè)備分類：linux系統(tǒng)將設(shè)備分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

我們來舉一個例子來說一下整體的調(diào)用過程

我們寫驅(qū)動無非就是做添加驅(qū)動：添加驅(qū)動做哪些事呢？

設(shè)備名設(shè)備號設(shè)備驅(qū)動函數(shù) （操作寄存器來驅(qū)動 IO口）

==綜上所述==如果想要打開dev下面的pin4引腳，過程是：用戶態(tài)調(diào)用open（“/de/pin4”,O_RDWR）,對于內(nèi)核來說，上層調(diào)用open函數(shù)會觸發(fā)一個軟中斷（系統(tǒng)調(diào)用專用，中斷號是0x80，0x80代表發(fā)生了一個系統(tǒng)調(diào)用），系統(tǒng)進入內(nèi)核態(tài)，并走到system_call，可以認(rèn)為這個就是此軟中斷的中斷服務(wù)程序入口，然后通過傳遞過來的系統(tǒng)調(diào)用號來決定調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序（在這里是調(diào)用VFS中的sys_open）。sys_open會在內(nèi)核的驅(qū)動鏈表里面根據(jù)設(shè)備名和設(shè)備號查找到相關(guān)的驅(qū)動函數(shù)（每一個驅(qū)動函數(shù)是一個節(jié)點），**==驅(qū)動函數(shù)里面有通過寄存器操控IO口的代碼，進而可以控制IO口實現(xiàn)相關(guān)功能==**。

2. 各分態(tài)的詳解

用戶態(tài)：

open，read，write，fork，pthread，socket

應(yīng)用程序

API

內(nèi)核態(tài)：

用戶要使用某個硬件設(shè)備時，需要內(nèi)核態(tài)的設(shè)備驅(qū)動程序,進而驅(qū)動硬件干活，就比如之前文章里面所提到的wiringPi庫，就是提供了用戶操控硬件設(shè)備的接口，在沒有wiringPi庫時就需要自己實現(xiàn)wiringPi庫的功能，就是自己寫設(shè)備驅(qū)動程序。這樣當(dāng)我們拿到另一種類型的板子時，同樣也可以完成開發(fā)。

在linux中一切皆文件，各種的文件和設(shè)備（比如：鼠標(biāo)、鍵盤、屏幕、flash、內(nèi)存、網(wǎng)卡、如下圖所示：）都是文件，那既然是文件了，就可以使用文件操作函數(shù)來操作這些設(shè)備。

有一個問題，open、read等這些文件操作函數(shù)是如何知道打開的文件是哪一種硬件設(shè)備呢？①在open函數(shù)里面輸入對應(yīng)的文件名，進而操控對應(yīng)的設(shè)備。②通過 ==設(shè)備號（主設(shè)備號和次設(shè)備號）== 。除此之外我們還要了解這些驅(qū)動程序的位置，和如何實現(xiàn)這些驅(qū)動程序，每一種硬件設(shè)備對應(yīng)不同的驅(qū)動（這些驅(qū)動有我們自己來實現(xiàn)）。

Linux的設(shè)備管理是和文件系統(tǒng)緊密結(jié)合的，各種設(shè)備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為 ==設(shè)備文件==。應(yīng)用程序可以打開、關(guān)閉和讀寫這些設(shè)備文件，完成對設(shè)備的操作，就像操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣。為了管理這些設(shè)備，系統(tǒng)為設(shè)備編了號，每個設(shè)備號又分為==主設(shè)備號== 和 ==次設(shè)備號==（如下圖所示：）。

主設(shè)備號用來區(qū)分不同種類的設(shè)備，而次設(shè)備號用來區(qū)分同一類型的多個設(shè)備。對于常用設(shè)備，Linux有約定俗成的編號，如硬盤的主設(shè)備號是3。一個字符設(shè)備或者塊設(shè)備都有一個主設(shè)備號和次設(shè)備號。**==主設(shè)備號和次設(shè)備號統(tǒng)稱為設(shè)備號==**。

主設(shè)備號用來表示一個特定的驅(qū)動程序。
次設(shè)備號用來表示使用該驅(qū)動程序的各設(shè)備。

例如一個嵌入式系統(tǒng)，有兩個LED指示燈，LED燈需要獨立的打開或者關(guān)閉。那么，可以寫一個LED燈的字符設(shè)備驅(qū)動程序，可以將其主設(shè)備號注冊成5號設(shè)備，次設(shè)備號分別為1和2。這里，次設(shè)備號就分別表示兩個LED燈。

==驅(qū)動鏈表==

管理所有設(shè)備的驅(qū)動，添加或查找
添加是發(fā)生在我們編寫完驅(qū)動程序，加載到內(nèi)核。
查找是在調(diào)用驅(qū)動程序，由應(yīng)用層用戶空間去查找使用open函數(shù)。

驅(qū)動插入鏈表的順序由設(shè)備號檢索，就是說主設(shè)備號和次設(shè)備號除了能區(qū)分不同種類的設(shè)備和不同類型的設(shè)備，還能起到將驅(qū)動程序加載到鏈表的某個位置，在下面介紹的驅(qū)動代碼的開發(fā)無非就是添加驅(qū)動（添加設(shè)備號、設(shè)備名和設(shè)備驅(qū)動函數(shù)）和調(diào)用驅(qū)動。

ble

補充：

每個系統(tǒng)調(diào)用都對應(yīng)一個系統(tǒng)調(diào)用號，而系統(tǒng)調(diào)用號就對應(yīng)內(nèi)核中的相應(yīng)處理函數(shù)。所有系統(tǒng)調(diào)用都是通過中斷0x80來觸發(fā)的。使用系統(tǒng)調(diào)用時，通過eax 寄存器將系統(tǒng)調(diào)用號傳遞到內(nèi)核，系統(tǒng)調(diào)用的入?yún)⑼ㄟ^ebx、ecx……依次傳遞到內(nèi)核和函數(shù)一樣，系統(tǒng)調(diào)用的返回值保存在eax中，所有要從eax中取出

3. 字符設(shè)備驅(qū)動工作原理

字符設(shè)備驅(qū)動工作原理在linux的世界里一切皆文件，所有的硬件設(shè)備操作到應(yīng)用層都會被抽象成文件的操作。我們知道如果應(yīng)用層要訪問硬件設(shè)備，它必定要調(diào)用到硬件對應(yīng)的驅(qū)動程序。Linux內(nèi)核有那么多驅(qū)動程序，應(yīng)用怎么才能精確的調(diào)用到底層的驅(qū)動程序呢？

==必須知道的知識：==

在Linux文件系統(tǒng)中，每個文件都用一個 struct inode結(jié)構(gòu)體來描述，這個結(jié)構(gòu)體記錄了這個文件的所有信息，例如文件類型，訪問權(quán)限等。

在linux操作系統(tǒng)中，每個驅(qū)動程序在應(yīng)用層的/dev目錄或者其他如/sys目錄下都會有一個文件與之對應(yīng)。

在linux操作系統(tǒng)中, 每個驅(qū)動程序都有一個設(shè)備號。

在linux操作系統(tǒng)中，每打開一次文件，Linux操作系統(tǒng)會在VFS層分配一個struct file結(jié)構(gòu)體來描述打開的文件。

(1) 當(dāng)open函數(shù)打開設(shè)備文件時，可以根據(jù)設(shè)備文件對應(yīng)的struct inode結(jié)構(gòu)體描述的信息，可以知道接下來要操作的設(shè)備類型（字符設(shè)備還是塊設(shè)備），還會分配一個struct file結(jié)構(gòu)體。

(2) 根據(jù)struct inode結(jié)構(gòu)體里面記錄的設(shè)備號，可以找到對應(yīng)的驅(qū)動程序。這里以字符設(shè)備為例。在Linux操作系統(tǒng)中每個字符設(shè)備都有一個struct cdev結(jié)構(gòu)體。此結(jié)構(gòu)體描述了字符設(shè)備所有信息，其中最重要的一項就是字符設(shè)備的操作函數(shù)接口。

(3) 找到struct cdev結(jié)構(gòu)體后，linux內(nèi)核就會將struct cdev結(jié)構(gòu)體所在的內(nèi)存空間首地址記錄在struct inode結(jié)構(gòu)體i_cdev成員中，將struct cdev結(jié)構(gòu)體中的記錄的函數(shù)操作接口地址記錄在struct file結(jié)構(gòu)體的f_ops成員中。

(4) 任務(wù)完成，VFS層會給應(yīng)用返回一個文件描述符（fd）。這個fd是和struct file結(jié)構(gòu)體對應(yīng)的。接下來上層應(yīng)用程序就可以通過fd找到struct file，然后在struct file找到操作字符設(shè)備的函數(shù)接口file_operation了。

其中，cdev_init和cdev_add在驅(qū)動程序的入口函數(shù)中就已經(jīng)被調(diào)用，分別完成字符設(shè)備與file_operation函數(shù)操作接口的綁定，和將字符驅(qū)動注冊到內(nèi)核的工作。

基于框架編寫驅(qū)動代碼：

上層調(diào)用代碼：操作驅(qū)動的上層代碼（pin4test.c）:

#include?<stdio.h>
#include?<sys/types.h>
#include?<sys/stat.h>
#include?<fcntl.h>

void?main()
{
????????int?fd,data;
????????fd?=?open("/dev/pin4",O_RDWR);
????????if(fd<0){
????????????????printf("open?failn");
????????????????perror("reson:");
????????}
????????else{
????????????????printf("open?successfuln");
????????}
????????fd=write(fd,'1',1);
}

-內(nèi)核驅(qū)動
**==最簡單的字符設(shè)備驅(qū)動框架==**：

字符設(shè)備驅(qū)動框架代碼

#include?<linux/fs.h>???//file_operations聲明
#include?<linux/module.h>????//module_init??module_exit聲明
#include?<linux/init.h>??????//__init??__exit?宏定義聲明
#include?<linux/device.h>??//class??devise聲明
#include?<linux/uaccess.h>???//copy_from_user?的頭文件
#include?<linux/types.h>?????//設(shè)備號??dev_t?類型聲明
#include?<asm/io.h>??????????//ioremap?iounmap的頭文件

static?struct?class?*pin4_class;??
static?struct?device?*pin4_class_dev;

static?dev_t?devno;????????????????//設(shè)備號，devno是用來接收創(chuàng)建設(shè)備號函數(shù)的返回值，銷毀的時候需要傳這個參數(shù)
static?int?major?=231;???????//主設(shè)備號
static?int?minor?=0;??????//次設(shè)備號
static?char?*module_name="pin4";???//模塊名

//led_open函數(shù)
static?int?pin4_open(struct?inode?*inode,struct?file?*file)
{
????printk("pin4_openn");??//內(nèi)核的打印函數(shù)和printf類似???
????return?0;
}

//led_write函數(shù)
static?ssize_t?pin4_write(struct?file?*file,const?char?__user?*buf,size_t?count,?loff_t?*ppos)
{
?
?printk("pin4_writen");??//內(nèi)核的打印函數(shù)和printf類似
????return?0;
}
//將上面的函數(shù)賦值給一個結(jié)構(gòu)體中，方便下面加載到到驅(qū)動鏈表中去
static?struct?file_operations?pin4_fops?=?{
//static防止其他文件也有同名pin4_fops
//static限定這個結(jié)構(gòu)體的作用，僅僅只在這個文件。
????.owner?=?THIS_MODULE,
????.open??=?pin4_open,
????.write?=?pin4_write,
};
/*
上面的代碼等同于以下代碼(但是在單片機keil的編譯環(huán)境里面不允許以上寫法)：
里面的每個pin4_fops結(jié)構(gòu)體成員單獨賦值
static?struct?file_operations?pin4_fops;??
????pin4_fops.owner?=?THIS_MODULE;
????pin4_fops.open??=?pin4_open;
????pin4_fops.write?=?pin4_write;
*/
//static限定這個結(jié)構(gòu)體的作用，僅僅只在這個文件。


int?__init?pin4_drv_init(void)???//真實的驅(qū)動入口
{

????int?ret;
????devno?=?MKDEV(major,minor);??//2.?創(chuàng)建設(shè)備號
????ret???=?register_chrdev(major,?module_name,&pin4_fops);??
????//3.?注冊驅(qū)動??告訴內(nèi)核，把這個驅(qū)動加入到內(nèi)核驅(qū)動的鏈表中

????pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");//由代碼在dev下自動生成設(shè)備,創(chuàng)建一個類
????pin4_class_dev?=device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);?
?????//創(chuàng)建設(shè)備文件，先有上面那一行代碼，創(chuàng)建一個類然后這行代碼，類下面再創(chuàng)建一個設(shè)備。

?
????return?0;
}

void?__exit?pin4_drv_exit(void)
{

????device_destroy(pin4_class,devno);//先銷毀設(shè)備
????class_destroy(pin4_class);//再銷毀類
????unregister_chrdev(major,?module_name);??//卸載驅(qū)動

}

module_init(pin4_drv_init);??//入口，內(nèi)核加載驅(qū)動的時候，這個宏（不是函數(shù)）會被調(diào)用，去調(diào)用pin4_drv_init這個函數(shù)
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL?v2");

手動創(chuàng)建設(shè)備名

sudo mknod +設(shè)備名字 +設(shè)備類型（c表示字符設(shè)備驅(qū)動） +主設(shè)備號+次設(shè)備號

驅(qū)動框架執(zhí)行流程：

通過上層程序打開某個設(shè)備，如果沒有驅(qū)動，執(zhí)行就會報錯，在內(nèi)核驅(qū)動中，上層系統(tǒng)調(diào)用open，wirte函數(shù)會觸發(fā)sys_call、sys_call會調(diào)用sys_open,和sys_write、sys_open,和sys_write通過主設(shè)備號在內(nèi)核的驅(qū)動鏈表里把設(shè)備驅(qū)動找出來，執(zhí)行里面的open和write、我們?yōu)榱苏麄€流程順利進行，我們要先準(zhǔn)備好驅(qū)動（設(shè)備驅(qū)動文件）。

設(shè)備驅(qū)動文件有固定框架：module_init(pin4_drv_init);

//入口去調(diào)用pin4_drv_init函數(shù)int __init pin4_drv_init(void)

//真實的驅(qū)動入口驅(qū)動入口devno = MKDEV(major,minor); // 創(chuàng)建設(shè)備號 register_chrdev(major, module_name,&pin4_fops);

//注冊驅(qū)動 ?告訴內(nèi)核，把上面準(zhǔn)備好的結(jié)構(gòu)體加入到內(nèi)核驅(qū)動的鏈表中pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");

//由代碼在dev下自動生成設(shè)備,創(chuàng)建一個類pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);

//創(chuàng)建設(shè)備文件。主要是要讓/dev下多了個文件供我們上層可以open如果沒有，也可以手動sudo mknod +設(shè)備名字 +設(shè)備類型（c表示字符設(shè)備驅(qū)動） +主設(shè)備號+次設(shè)備號的去創(chuàng)造設(shè)備

驅(qū)動模塊代碼編譯

驅(qū)動模塊代碼編譯（模塊的編譯需要配置過的內(nèi)核源碼，編譯、連接后生成的內(nèi)核模塊后綴為.ko，編譯過程首先會到內(nèi)核源碼目錄下，讀取頂層的Makefile文件，然后再返回模塊源碼所在目錄。）：

使用下面的的代碼：（就是上面的驅(qū)動架構(gòu)代碼）

#include?<linux/fs.h>????????????//file_operations聲明
#include?<linux/module.h>????//module_init??module_exit聲明
#include?<linux/init.h>??????//__init??__exit?宏定義聲明
#include?<linux/device.h>????????//class??devise聲明
#include?<linux/uaccess.h>???//copy_from_user?的頭文件
#include?<linux/types.h>?????//設(shè)備號??dev_t?類型聲明
#include?<asm/io.h>??????????//ioremap?iounmap的頭文件


static?struct?class?*pin4_class;
static?struct?device?*pin4_class_dev;

static?dev_t?devno;????????????????//設(shè)備號
static?int?major?=231;?????????????????????//主設(shè)備號
static?int?minor?=0;???????????????????????//次設(shè)備號
static?char?*module_name="pin4";???//模塊名

//led_open函數(shù)
static?int?pin4_open(struct?inode?*inode,struct?file?*file)
{
????????printk("pin4_openn");??//內(nèi)核的打印函數(shù)和printf類似

????????return?0;
}
//read函數(shù)
static?int?pin4_read(struct?file?*file,char?__user?*buf,size_t?count,loff_t?*ppos)
{
????????printk("pin4_readn");??//內(nèi)核的打印函數(shù)和printf類似

????????return?0;
}

//led_write函數(shù)
static?ssize_t?pin4_write(struct?file?*file,const?char?__user?*buf,size_t?count,?loff_t?*ppos)
{

????????printk("pin4_writen");??//內(nèi)核的打印函數(shù)和printf類似
????????return?0;
}

static?struct?file_operations?pin4_fops?=?{

????????.owner?=?THIS_MODULE,
????????.open??=?pin4_open,
????????.write?=?pin4_write,
????????.read??=?pin4_read,
};
//static限定這個結(jié)構(gòu)體的作用，僅僅只在這個文件。
int?__init?pin4_drv_init(void)???//真實的驅(qū)動入口
{

????????int?ret;
????????devno?=?MKDEV(major,minor);??//創(chuàng)建設(shè)備號
??ret???=?register_chrdev(major,?module_name,&pin4_fops);??//注冊驅(qū)動??告訴內(nèi)核，把這個驅(qū)動加入到內(nèi)核驅(qū)動的鏈表中

????????pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");//讓代碼在dev下自動>生成設(shè)備
????????pin4_class_dev?=device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);??//創(chuàng)建設(shè)備文件


????????return?0;
}

void?__exit?pin4_drv_exit(void)
{

????????device_destroy(pin4_class,devno);
????????class_destroy(pin4_class);
????????unregister_chrdev(major,?module_name);??//卸載驅(qū)動
}
module_init(pin4_drv_init);??//入口，內(nèi)核加載驅(qū)動的時候，這個宏會被調(diào)用，去調(diào)用pin4_drv_init這個函數(shù)
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL?v2");

/SYSTEM/linux-rpi-4.19.y/drivers/char

obj-m += pin4drive.o

編譯生成驅(qū)動模塊,將生成的.ko文件發(fā)送給樹莓派然后回/SYSTEM/linux-rpi-4.19.y下使用指令：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make modules進行編譯生成驅(qū)動模塊。然后將生成的.ko文件發(fā)送給樹莓派：scp drivers/char/pin4driver.ko pi@192.168.0.104:/home/pi編譯生成驅(qū)動模塊會生成以下幾個文件：

.o的文件是object文件，.ko是kernel object，與.o的區(qū)別在于其多了一些sections,比如.modinfo。.modinfo section是由kernel source里的modpost工具生成的，
包括MODULE_AUTHOR, MODULE_DESCRIPTION, MODULE_LICENSE, device ID table以及模塊依賴關(guān)系等等。depmod 工具根據(jù).modinfo section生成modules.dep, modules.*map等文件，以便modprobe更方便的加載模塊。

編譯過程中，經(jīng)歷了這樣的步驟：

先進入Linux內(nèi)核所在的目錄，并編譯出pin4drive.o文件運行MODPOST會生成臨時的pin4drive.mod.c文件， ?而后根據(jù)此文件編譯出pin4drive.mod.o，之后連接pin4drive.o和pin4drive.mod.o文件得到模塊目標(biāo)文件pin4drive.ko，最后離開Linux內(nèi)核所在的目錄。

將pin4test.c (上層調(diào)用代碼) 進行交叉編譯后發(fā)送給樹莓派，就可以看到pi目錄下存在發(fā)送過來的.ko文件和pin4test這兩個文件，如下圖所示：

加載內(nèi)核驅(qū)動

然后使用指令：sudo insmod pin4drive.ko加載內(nèi)核驅(qū)動（相當(dāng)于通過insmod調(diào)用了module_init這個宏，然后將整個結(jié)構(gòu)體加載到驅(qū)動鏈表中）
加載完成后就可以在dev下面看到名字為pin4的設(shè)備驅(qū)動（這個和驅(qū)動代碼里面static char *module_name="pin4"; //模塊名這行代碼有關(guān)），設(shè)備號也和代碼里面相關(guān)。

lsmod可以查看驅(qū)動已經(jīng)裝進去了。