Linux设备驱动程序设计课程
Chap6-11 Linux设备驱动程序ppt课件
硬件主板研制，测试 操作系统的选定，BSP编程 上层应用程序的开发
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编写BSP函数
BSP对板卡中每个芯片的操作都通过多个函数 来完成
如果应用程序对板卡的操作都直接通过调用 BSP中的函数来完成，那将很不利于源程序的 调试 ，并降低了程序的可移植性
设备的打开与释放
open() release()
设备的读写操作
read() write()
设备的控制操作
ioctl()
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设备驱动的加载
使用模块的方式动态加载驱动
int func_init(void) Makefile: insmod xx.o lsmod rmmod xx.o
而是在系统初始化过程中由BSP把它们与操作系 统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的 应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件 设备的操作。
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BSP开发的前提和步骤
开发的前提 ：
熟悉硬件方面：使用CPU等 熟悉工具方面：电表，示波器，逻辑分析仪，
硬件仿真器，仿真调试环境等 语言方面：汇编语言，C语言
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初始化过程
片级初始化：
主要完成CPU的初始化
设置CPU的核心寄存器和控制寄存器 CPU核心工作模式 CPU的局部总线模式等
片级初始化把CPU从上电时的缺省状态逐步设置 成为系统所要求的工作状态
这是一个纯硬件的初始化过程
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初始化过程（续1）
板级初始化：
完成CPU以外的其他硬件设备的初始化 同时还要设置某些软件的数据结构和参数，为随后
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LINUX设备驱动程序(4)
协议简介
对于网络的正式介绍一般都采用 OSI （Open Systems Interconnection）模型， 但是Linux 中网络栈的介绍一般分为四层的 Internet 模型。
协议栈层次对比
OSI七层网络模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层
数据链路层 物理层
Linux TCP/IP 四层概念模型
网络协议
网络协议层用于实现各种具体的网络协议， 如： TCP、UDP 等。
设备无关接口
设备无关接口将协议与各种网络设备驱动连接在一起。 这一层提供一组通用函数供底层网络设备驱动程序使用，让 它们可以对高层协议栈进行操作。
首先，设备驱动程序可能会通过调用 register_netdevice 或 unregister_netdevice 在内核中 进行注册或注销。调用者首先填写 net_device 结构，然后 传递这个结构进行注册。内核调用它的 init 函数（如果定义 了这种函数），然后执行一组健全性检查，并将新设备添加 到设备列表中（内核中的活动设备链表）。
驱动程序
网络栈底部是负责 管理物理网络设备 的设备驱动程序。
第二节 网卡驱动程序设计
设备注册
设备描述：
每个网络接口都由一个 net_device结构来描述
注册： 网络接口驱动的注册方式与字符驱动不同之处在于 它没有主次设备号，并使用如下函数注册。
int register_netdev(struct net_device *dev）
Linux网络子系统架构
Linux协议架构
Linux 网络子系统的顶部是系统调用接口。它为用 户空间的应用程序提供了一种访问内核网络子系统 的方法。位于其下面的是一个协议无关层，它提供 了一种通用方法来使用传输层协议。然后是具体协 议的实现，在 Linux 中包括内嵌的协议 TCP、 UDP，当然还有 IP。然后是设备无关层，它提供了 协议与设备驱动通信的通用接口，最下面是设备驱 动程序。
嵌入式linux开发课程设计
嵌入式linux开发课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解嵌入式Linux系统的基本概念、原理和架构。
2. 掌握嵌入式Linux开发环境的搭建与使用。
3. 学习嵌入式Linux内核配置、编译与移植方法。
4. 掌握常见的嵌入式Linux设备驱动编程技术。
技能目标：1. 能够独立搭建嵌入式Linux开发环境。
2. 熟练运用Makefile、交叉编译工具链进行代码编译。
3. 能够编写简单的嵌入式Linux设备驱动程序。
4. 学会分析并解决嵌入式Linux开发过程中的常见问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对嵌入式系统开发的兴趣，提高学习积极性。
2. 培养学生的团队协作意识，增强沟通与表达能力。
3. 培养学生勇于克服困难，面对挑战的精神。
分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为高年级专业课程，要求学生具备一定的C语言基础和计算机硬件知识。
课程性质为理论与实践相结合，注重培养学生的实际动手能力。
针对学生特点，课程目标设定了明确的知识点和技能要求，旨在使学生能够掌握嵌入式Linux开发的基本方法，为后续项目实践和职业发展奠定基础。
课程目标分解为具体学习成果：1. 学生能够阐述嵌入式Linux系统的基本概念、原理和架构。
2. 学生能够自主搭建嵌入式Linux开发环境，并进行简单的程序编译与运行。
3. 学生能够编写简单的嵌入式Linux设备驱动程序，并实现相应的功能。
4. 学生能够针对嵌入式Linux开发过程中遇到的问题，提出合理的解决方案，并进行实际操作。
二、教学内容1. 嵌入式Linux系统概述- 嵌入式系统基本概念- 嵌入式Linux的发展历程- 嵌入式Linux系统的特点与优势2. 嵌入式Linux开发环境搭建- 交叉编译工具链的安装与配置- 嵌入式Linux文件系统制作- 常用开发工具的使用（如Makefile、GDB）3. 嵌入式Linux内核与驱动- 内核配置与编译- 内核移植方法- 常见设备驱动编程（如字符设备、块设备、网络设备）4. 实践项目与案例分析- 简单嵌入式Linux程序编写与运行- 设备驱动程序编写与调试- 分析并解决实际问题（如系统性能优化、故障排查）教学内容安排与进度：1. 嵌入式Linux系统概述（2课时）2. 嵌入式Linux开发环境搭建（4课时）3. 嵌入式Linux内核与驱动（6课时）4. 实践项目与案例分析（8课时）本教学内容基于课程目标，结合教材章节内容，注重理论与实践相结合，旨在培养学生的实际动手能力和解决问题的能力。
第9章 Linux驱动程序设计详述
（1）字符设备
字符设备是指存取时没有缓存的设备。典型的字 符设备包括鼠标，键盘，串行口等。
字符设备在I/O传输过程中以字符为单位的，但是 不一定是以字节为单位，因为一个字符展16bit（2个字 节）。它是通过文件系统节点来存储，在Linux系统中 ，字符设备以特别的文件方式在文件目录树中占据位置 并拥有自己的结点，并且指明了文件类型，但是，操作 （包括打开、关闭、读、写操作）起来却和普通文件一 样。大部分字符设备仅仅是数据通道，只能顺序存取。
（1）驱动程序注册
向系统增加一个驱动程序意味着要赋予它一个主 设备号，这可以通过在驱动程序的初始化过程中调用 register_chrdev()或者register_blkdev()来完成。
（2）设备的打开
打开设备是通过调用file_operations结构中的函 数open()来完成的，它是驱动程序用来为今后的操作完 成初始化准备工作的。在大部分驱动程序中，open()通 常需要完成下列工作：
（7）驱动程序注销
向系统增加一个驱动程序意味着要赋予它一个主 设备号，这可以通过在驱动程序的初始化过程中调用 register_chrdev()或者register_blkdev()来完成。而在关 闭字符设备或者块设备时，则需要通过调用 unregister_chrdev()或unregister_blkdev()从内核中注 销设备，同时释放占用的主设备号。
（2）modprobe命令的功能是自动处理可载入模块。 语法:modprobe [-acdlrtvV][--help][模块文件][符号名称 = 符号值]
（3）insmod（install module）挂载模块 。 功能说明：载入模块。 语法：insmod [-fkmpsvxX][-o <模块名称>][模块文件][符
第四章 Linux驱动程序设计.ppt
模块初始化 宏
模块卸载宏
2019年12月24日
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打印调试printk
指示日志级别的宏 KERN_EMERG 用于紧急事件消息，一般是系统崩溃前提示<0>
块设备通过位于 /dev 目录的文件系统结点来存取
块设备和字符设备的区别仅仅在于内核内部管理数据的 方式
块设备有专门的接口，块设备的接口必须支持挂装 （mount）文件系统。
应用程序一般通过文件系统来访问块设备上的内容
2019年12月24日
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4-2设备的分类和特点
网络设备特点
简单的内核模块编译（内核2.6）
如果是多个源文件编译出一个模块，假设模块名是test.ko， 那么源文件名不能有test.c
obj-m := test.o
test-objs := file1.o file2.o file3.o
KDIR := /home/at9200/kernel/linux-2.6.38/
（4）应用程序得到文件描述符后，使用库提供的write 或ioclt函数发出控制命令 （5）库根据write或ioclt函数传入的参数执行“swi”指令， 这条指令会引起CPU异常，再次进入内核 （6）内核的异常处理函数根据参数调用驱动程序的相关 函数，控制硬件
4-2设备的分类和特点
块设备特点
static int __init hello_init(void) {
printk(KERN_ALERT "Hello world\n");
linux课课程设计字符设备驱动
linux课课程设计字符设备驱动一、教学目标本章节的教学目标是使学生掌握Linux系统中字符设备驱动的基本原理和编程方法。
通过本章节的学习，学生将能够：1.理解字符设备驱动的概念和作用；2.掌握字符设备驱动的原理和编程方法；3.能够编写简单的字符设备驱动程序。
二、教学内容本章节的教学内容主要包括：1.字符设备驱动的概念和作用；2.字符设备驱动的原理和编程方法；3.字符设备驱动的实例分析。
具体的教学大纲如下：1.字符设备驱动的概念和作用：介绍字符设备驱动的基本概念，解释其在Linux系统中的作用；2.字符设备驱动的原理：讲解字符设备驱动的工作原理，包括驱动程序的加载、设备文件的创建和使用；3.字符设备驱动的编程方法：介绍编写字符设备驱动程序的基本步骤和方法，包括文件操作、缓冲区管理和中断处理；4.字符设备驱动的实例分析：分析实际的字符设备驱动程序代码，让学生了解和掌握驱动程序的具体实现方法。
三、教学方法为了达到本章节的教学目标，将采用以下教学方法：1.讲授法：讲解字符设备驱动的基本概念、原理和编程方法；2.案例分析法：分析实际的字符设备驱动程序代码，让学生了解和掌握驱动程序的具体实现方法；3.实验法：让学生动手编写和调试字符设备驱动程序，巩固所学的知识和技能。
四、教学资源为了支持本章节的教学内容和教学方法的实施，将准备以下教学资源：1.教材：《Linux设备驱动程序设计与实现》；2.参考书：《Linux内核设计与实现》；3.多媒体资料：教学PPT、视频教程等；4.实验设备：计算机、开发板等。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生在Linux字符设备驱动课程中的学习成果，将采用以下评估方式：1.平时表现：通过课堂参与、提问和讨论等方式评估学生的学习态度和理解程度；2.作业：布置相关的编程练习和理论作业，评估学生对知识的掌握和应用能力；3.考试：进行期中和期末考试，以评估学生对课程内容的整体理解和掌握程度。
Linux设备驱动程序设计入门.doc
深入浅出Linux设备驱动编程之引言目前，Linux软件工程师大致可分为两个层次：（1）Linux应用软件工程师（Application Software Engineer）：主要利用C库函数和Linux API进行应用软件的编写；（2）Linux固件工程师（Firmware Engineer）：主要进行Bootloader、Linux的移植及Linux设备驱动程序的设计。
一般而言，固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次，而其中的Linux设备驱动编程又是Linux 程序设计中比较复杂的部分，究其原因，主要包括如下几个方面：（1）设备驱动属于Linux内核的部分，编写Linux设备驱动需要有一定的Linux操作系统内核基础；（2）编写Linux设备驱动需要对硬件的原理有相当的了解，大多数情况下我们是针对一个特定的嵌入式硬件平台编写驱动的；（3）Linux设备驱动中广泛涉及到多进程并发的同步、互斥等控制，容易出现bug；（4）由于属于内核的一部分，Linux设备驱动的调试也相当复杂。
目前，市面上的Linux设备驱动程序参考书籍非常稀缺，少有的经典是由Linux社区的三位领导者Jonathan Corbet、Alessandro Rubini、Greg Kroah-Hartman编写的《Linux Device Drivers》（目前该书已经出版到第3版，中文译本由中国电力出版社出版）。
该书将Linux设备驱动编写技术进行了较系统的展现，但是该书所列举实例的背景过于复杂，使得读者需要将过多的精力投放于对例子背景的理解上，很难完全集中精力于Linux驱动程序本身。
往往需要将此书翻来覆去地研读许多遍，才能有较深的体会。
（《Linux Device Drivers》中英文版封面）本文将仍然秉承《Linux Device Drivers》一书以实例为主的风格，但是实例的背景将非常简单，以求使读者能将集中精力于Linux设备驱动本身，理解Linux内核模块、Linux设备驱动的结构、Linux设备驱动中的并发控制等内容。
linux触摸屏驱动课程设计
linux 触摸屏驱动课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解Linux触摸屏驱动的基本原理，掌握驱动程序的结构和功能。
2. 学生能掌握触摸屏设备与Linux内核的通信机制，了解输入子系统的工作原理。
3. 学生能了解Linux设备树的使用，并学会为触摸屏设备配置设备树。
技能目标：1. 学生能独立编译、安装和配置Linux触摸屏驱动程序。
2. 学生能运用调试工具分析触摸屏驱动问题，并进行基本的故障排除。
3. 学生能通过实际操作，编写简单的触摸屏驱动程序补丁。
情感态度价值观目标：1. 学生养成主动学习和合作学习的习惯，提高对Linux驱动程序开发的兴趣。
2. 学生培养解决问题的能力和创新精神，敢于面对挑战，勇于克服困难。
3. 学生树立正确的价值观，认识到触摸屏技术在实际应用中的重要性，关注行业发展。
课程性质：本课程为实践性较强的课程，侧重于学生动手能力的培养，使学生掌握Linux触摸屏驱动的基本知识和技能。
学生特点：学生具备一定的计算机基础和Linux操作系统知识，对硬件和驱动程序有一定了解。
教学要求：教师应采用案例教学、任务驱动等教学方法，引导学生动手实践，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
同时，注重培养学生的团队合作精神和解决问题的能力。
在教学过程中，关注学生的学习进度和反馈，及时调整教学策略，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. Linux触摸屏驱动原理：- 触摸屏工作原理- Linux内核输入子系统- 触摸屏驱动架构2. 触摸屏设备与内核通信机制：- 中断处理- 轮询模式- 异步通知3. 设备树配置：- 设备树基本概念- 触摸屏设备树节点编写- 设备树overlay应用4. 触摸屏驱动程序编译与安装：- 编译工具链介绍- 内核配置与编译- 驱动模块安装与卸载5. 触摸屏驱动调试与故障排除：- 调试工具使用（如：evtest、lsmod等）- 日志分析- 常见问题解决方案6. 触摸屏驱动程序编写实践：- 分析现有驱动源码- 编写简单的驱动补丁- 调试与优化7. 项目实践：- 触摸屏驱动移植- 驱动性能优化- 实际设备应用案例教学内容安排与进度：1. 原理部分（2课时）2. 通信机制与设备树配置（2课时）3. 驱动编译与安装（2课时）4. 调试与故障排除（2课时）5. 编写实践（3课时）6. 项目实践（4课时）教学内容与教材关联性：本教学内容紧密围绕教材中关于Linux触摸屏驱动相关章节，结合实际案例，使学生能够系统掌握触摸屏驱动的开发与应用。
Linux网络设备驱动程序培训
Linux网络设备驱动程序培训概述Linux网络设备驱动程序是连接计算机与网络设备之间的桥梁，它使得计算机可以通过网络与其他计算机进行通信。
本文档将介绍Linux网络设备驱动程序的基本知识和开发过程，帮助读者了解如何开发和调试Linux网络设备驱动程序。
Linux网络设备驱动程序的工作原理Linux网络设备驱动程序的工作原理可以简单地分为两个步骤：设备初始化和数据传输。
设备初始化是指在Linux系统启动时，操作系统会扫描并加载设备驱动程序，并对设备进行初始化设置。
这些设置包括设备的硬件参数配置、内存分配和中断处理等。
数据传输是指在设备初始化完成后，操作系统可以通过设备驱动程序与网络设备进行数据的发送和接收。
设备驱动程序负责管理设备的发送和接收缓冲区，并处理和转发网络数据包。
Linux网络设备驱动程序的开发流程下面是Linux网络设备驱动程序的开发流程的简单概述：1.设备驱动程序的编写：开发者需要使用C语言编写设备驱动程序的代码。
驱动程序主要包括设备初始化函数、数据传输函数和中断处理函数等。
2.设备的注册：在驱动程序中，需要使用注册函数将设备注册到Linux系统中。
注册函数会创建设备文件，以供用户态应用程序进行访问。
3.设备的加载：开发者需要在系统启动时将驱动程序加载到内核中。
这可以通过将驱动程序的模块插入内核或者将驱动程序编译进内核实现。
4.驱动程序的调试：在开发过程中，开发者可以使用调试工具进行驱动程序的调试。
常用的调试工具包括GDB调试器和内核调试接口等。
5.驱动程序的发布和更新：完成驱动程序的开发和调试后，开发者可以将驱动程序发布给用户使用。
如果需要更新驱动程序，开发者可以通过发布新的驱动程序版本来完成更新。
Linux网络设备驱动程序的常见问题和解决方法在开发和调试Linux网络设备驱动程序的过程中，可能会遇到一些常见的问题。
下面是一些常见问题和解决方法的示例：1.设备驱动程序无法加载：这可能是因为驱动程序代码中存在错误，或者驱动程序与操作系统的版本不兼容。
Linux设备驱动程序设计课程
• 2．中断方式
• 查询方式白白浪费了大量的处理器时间，而中断方式才是多任务操作系统中最有效利 用处理器的方式。当CPU进行主程序操作时，外设的数据已存入端口的数据输入寄存器， 或端口的数据输出寄存器已空，此时由外设通过接口电路向CPU发出中断请求信号。 CPU在满足一定条件下，暂停执行当前正在执行的主程序，转入执行相应能够进行输入/ 输出操作的子程序，待输入/输出操作执行完毕之后，CPU再返回并继续执行原来被中断 的主程序。这样，CPU就避免了把大量时间耗费在等待、查询外设状态的操作上，使其工 作效率得以大大提高。中断方式的原理示意图如图6.1所示。 • 能够向CPU发出中断请求的设备或事件称为中断源。中断源向CPU发出中断请求，若 优先级别最高，则CPU在满足一定的条件时，可中断当前程序的运行，保护好被中断的主
高回报
路漫漫其悠远
•
内核空间和用户空间
➢ 系统态:在Linux系统中，内核在最高级执行，也称为“系统
态”，在这一级任何操作都可以执行。 ➢ 用户态：而应用程序则用户态执行在最低级，所谓的“用户 态”，在这一级处理器禁止对硬件的直接访问和对内存的未授权访 问。 ➢ 内核空间：模块运行的空间是在所谓的“内核空间”； ➢ 用户空间：应用程序运行的空间是在“用户空间” 。 ➢ 它们分别引用不同的内存映射，也就是程序代码使用不同的 “地址空间”。
• 块设备接口仅支持面向块的I/O操作，所有I/O操作都通过在内核地址空间中的I/O 缓冲区进行，它可以支持随机存取的功能。文件系统通常都建立在块设备上。
• 字符设备接口支持面向字符的I/O操作，由于它们不经过系统的快速缓存，所以它 们负责管理自己的缓冲区结构。字符设备接口只支持顺序存取的功能，一般不能进行 任意长度的I/O请求，而是限制I/O请求的长度必须是设备要求的基本块长的倍数。 • 处理器与设备间数据交换方式 • 处理器与外设之间传输数据的控制方式通常有3种：查询方式、中断方式和直接内 存存取（DMA）方式。 • 1．查询方式 • 设备驱动程序通过设备的I/O端口空间，以及存储器空间完成数据的交换。例如， 网卡一般将自己的内部寄存器映射为设备的I/O端口，而显示卡则利用大量的存储器 空间作为视频信息的存储空间。利用这些地址空间，驱动程序可以向外设发送指定的
linux字符设备驱动课程设计报告
一、课程设计目的Linux 系统的开源性使其在嵌入式系统的开发中得到了越来越广泛的应用，但其本身并没有对种类繁多的硬件设备都提供现成的驱动程序，特别是由于工程应用中的灵活性，其驱动程序更是难以统一，这时就需开发一套适合于自己产品的设备驱动。
对用户而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供了一致的接口，一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以像对其它文件一样对此设备文件进行操作。
通过这次课程设计可以了解linux的模块机制，懂得如何加载模块和卸载模块，进一步熟悉模块的相关操作。
加深对驱动程序定义和设计的了解，了解linux驱动的编写过程，提高自己的动手能力。
二、课程设计内容与要求字符设备驱动程序1、设计目的：掌握设备驱动程序的编写、编译和装载、卸载方法，了解设备文件的创建，并知道如何编写测试程序测试自己的驱动程序是否能够正常工作2、设计要求：1)编写一个简单的字符设备驱动程序，该字符设备包括打开、读、写、I\O控制与释放五个基本操作。
2)编写一个测试程序，测试字符设备驱动程序的正确性。
3)要求在实验报告中列出Linux内核的版本与内核模块加载过程。
三、系统分析与设计1、系统分析系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。
设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。
设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能:1、对设备初始化和释放；2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；4、检测和处理设备出现的错误。
字符设备提供给应用程序的是一个流控制接口，主要包括op e n、clo s e（或r ele as e）、r e ad、w r i t e、i o c t l、p o l l和m m a p等。
完美版课件第八章嵌入式Linux设备驱动编程
第八章 嵌入式Linux设备驱动编程
本章课程： 8.1 设备驱动概述 8.2 字符设备驱动编程 8.3 GPIO驱动程序实例 8.4 4*4扫描按键驱动 8.5 小结 8.6 思考与练习
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8.1 设备驱动编程基础
8.1.1 Linux设备驱动概述
设备驱动概念
操作系统是通过各种驱动程序来驾驭硬件设备的，它为用户屏蔽 了各种各样的设备，驱动硬件是操作系统最基本的功能，并且提 供统一的操作方式。设备驱动程序是操作系统最基本的组成部分 之一，在Linux内核源程序中也占有60%以上。因此，熟悉驱动的 编写是很重要的。
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8.1 设备驱动编程基础
8.1.2 Linux内核模块编程
Linux内核模块编程
（7）模块的使用计数 Linux 2.4内核中，模块自身通过MOD_INC_USE_COUNT、 MOD_DEC_USE_COUNT宏来管理自己被使用的计数。 Linux 2.6内核提供了模块计数管理接口 try_module_get(&module)和module_put (&module)，从而取代 Linux 2.4内核中的模块使用计数管理宏。 模块的使用计数一般不必由模块自身管理，而且模块计数管 理还考虑了SMP与PREEMPT机制的影响。
Linux系统的设备分为三类：字符设备、块设备和网络设 备。
字符设备通常指像普通文件或字节流一样，以字节为单 位顺序读写的设备， 如并口设备、虚拟控制台等。
块设备通常指一些需要以块为单位随机读写的设备，如 IDE硬盘、SCSI硬盘、光驱等。
网络设备通常是指通过网络能够与其他主机进行数据通 信的设备，如网卡等。
，由于嵌入式产品中一般不需要建立模块间依赖关系，所以modprobe可以 不要，一般也不需要卸载模块，所以rmmod也可以不要。 在使用中用户可使用insmod命令手动加载模块，如insmod xxx.ko。 但是一般而言，产品在启动过程中应该加载模块，在嵌入式Linux的启动过 程中，加载企业自己的模块的最简单的方法是修改启动过程的rc脚本，增 加insmod /.../xxx.ko这样的命令。
linux设备驱动程序入门
Linux设备驱动程序入门在Linux操作系统中，驱动程序是操作系统与硬件设备之间进行通信的重要组成部分。
通过编写设备驱动程序，可以让我们的硬件在Linux系统中得到充分的利用。
本文将介绍Linux设备驱动程序的基本概念和编写方法。
设备驱动程序的基本概念什么是设备驱动程序设备驱动程序是指操作系统内核中的一部分代码，它用于控制和管理硬件设备。
设备驱动程序扮演着操作系统与硬件之间的桥梁，通过操作硬件设备的寄存器和控制器来完成设备的初始化、读取和写入等操作。
同时，设备驱动程序还需要将底层硬件接口和操作系统的抽象层进行对接。
设备驱动程序的类型在Linux系统中，设备驱动程序大致可以分为字符设备驱动程序、块设备驱动程序和网络设备驱动程序三类。
•字符设备驱动程序：字符设备驱动程序用于管理字符设备，它以字符为单位进行数据处理。
在Linux系统中，串口和终端是典型的字符设备。
字符设备驱动程序通常使用文件操作接口（也称为系统调用）来与用户进程进行数据传输。
•块设备驱动程序：块设备驱动程序用于管理块设备，它以块大小为单位进行数据处理。
在Linux系统中，硬盘和U盘是典型的块设备。
块设备驱动程序通常使用块操作接口来与用户进程进行数据传输，它也可以使用文件操作接口。
•网络设备驱动程序：网络设备驱动程序用于管理网络接口设备，它以数据包为单位进行数据处理。
网络设备驱动程序负责管理数据包的发送和接收，以及对数据包进行处理。
在Linux系统中，以太网卡是最常见的网络设备。
Linux设备驱动程序的框架Linux设备驱动程序的框架可以分为五个部分：设备模型、驱动模型、总线模型、中断处理和定时器。
•设备模型：设备模型是指Linux内核中对设备进行抽象和描述的一种模型。
设备模型可以帮助我们更加高效地对设备进行管理和操作。
•驱动模型：驱动模型是指Linux内核中对驱动程序进行管理的一种模型。
驱动模型可以帮助我们更好地管理和协调驱动程序和设备之间的关系。
第7章 嵌入式Linux设备驱动程序开发(inode解释说明)PPT课件
//文件最后修改的时间
time_t
i_ctime;
//结点最后修改的时间
unsigned int
i_blkbits; //位数
unsigned long i_blksize; //块大小
unsigned long i_blocks;
//文件所占用的块数
unsigned long i_version; //版本号
struct address_space i_data;
//数据
struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS];
//索引结点的磁盘限额
struct list_head
i_devices;
//设备文件形成的链表
struct pipe_inode_info
*i_pipe; //指向管道文件
struct semaphore
i_sem;
//用于同步操作的信号量结构
第7章 嵌入式Linux设备驱动程序开发
struct semaphore
i_zombie;
//索引结点的信号量
struct inode_operations
*i_op; //索引结点操作
struct *i_fop; //指向文件操作的指针
loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,
loff_t *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t,
struct { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned
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操作指令。通常来讲，由于外设的操作耗时较长，因此，当处理器实际执行了操作指 令之后，驱动程序可采用查询方式等待外设完成操作。
内核模块的构造和运行
• 设备驱动程序的存在形式 • 可卸载模块
– 内核提供的特性可以在运行时进行扩展 – 可在运行时添加到内核中的代码被称为“模块” – 常用模块
• 设备驱动和文件系统 – 灵活
• 编译进内核
– 与内核其他的功能模块静态编译在一起，不可卸载
内核态和用户态
• 多数操作系统都把内核和应用程序分为2个层次管 理
能够向CPU发出中断请求的设备或事件称为中断源。中断源向CPU发出中断请求，若 优先级别最高，则CPU在满足一定的条件时，可中断当前程序的运行，保护好被中断的主
程序的断点及现场信息，然后根据中断源提供的信息，找到中断服务子程序的入口地址， 转去执行新的程序段，这就是中断响应。CPU响应中断是有条件的，如内部允许中断、中 断未被屏蔽、当前指令执行完等。CPU响应中断以后，就会中止当前的程序，转去执行一 个中断服务子程序，以完成为相应设备的服务。
查询方式白白浪费了大量的处理器时间，而中断方式才是多任务操作系统中最有效利 用处理器的方式。当CPU进行主程序操作时，外设的数据已存入端口的数据输入寄存器， 或端口的数据输出寄存器已空，此时由外设通过接口电路向CPU发出中断请求信号。 CPU在满足一定条件下，暂停执行当前正在执行的主程序，转入执行相应能够进行输入/ 输出操作的子程序，待输入/输出操作执行完毕之后，CPU再返回并继续执行原来被中断 的主程序。这样，CPU就避免了把大量时间耗费在等待、查询外设状态的操作上，使其工 作效率得以大大提高。中断方式的原理示意图如图6.1所示。
部编程接口，同时完全隐蔽了设备的工作细节
• 用户通过一组与具体设备无关的标准化的调用来 完成相应的操作
• 驱动程序的任务就是把这些标准化的系统调用映 射到具体设备对于实际硬件的特定操作上
• 驱动程序是内核的一部分，可以使用中断、DMA 等操作
• 驱动程序在用户态和内核态之间传递数据
设备驱动程序的作用
字符设备接口支持面向字符的I/O操作，由于它们不经过系统的快速缓存，所以它 们负责管理自己的缓冲区结构。字符设备接口只支持顺序存取的功能，一般不能进行 任意长度的I/O请求，而是限制I/O请求的长度必须是设备要求的基本块长的倍数。
处理器与设备间数据交换方式
处理器与外设之间传输数据的控制方式通常有3种：查询方式、中断方式和直接内 存存取（DMA）方式。
Linux设备驱动程序设计
第一章 简介
参考书籍
• 《Linux设备驱动程序》(第三版) • Jonatban Corbet等著 魏永明等译 • 中国电力出版社 • 《Linux设备驱动开发详解》(第二版) • 宋宝华著 人民邮电出版社 • 《Linux设备驱动开发技术及应用》 • (韩)俞永昌著 人民邮电出版社 • 《Linux内核设计与实现》(第二版) • Robert Love著 陈莉君等译 •
• 块设备
– 通常是指诸如磁盘、内存、Flash等可以容纳文件系统的存储设备。 – 块设备也是通过文件系统来访问，与字符设备的区别是：内核管理数
据的方式不同
– 它允许象字符设备一样以字节流的方式来访问，也可一次传递任意多 的字节。
• 网络接口设备
– 通常它指的是硬件设备，但有时也可能是一个软件设备(如回环接口 loopback)，它们由内核中网络子系统驱动，负责发送 (hard_start_xmit())和接收数据包。
• 另一角度：
• 驱动程序可看作应用程序与实际设备之间 的软件层
• 即使对于相同的设备不同驱动程序可能提 供不同功能，需要在许多因素间作出平衡
• 三方面因素： • 提供给用户尽可能多的选项 • 编写驱动程序占用的时间 • 尽量保持程序简单
嵌入式Linux驱动程序介绍
嵌入式Linux驱动已经支持的设备门类齐全， 已成为linux相对其他嵌入式操作系统的一 大优势
注意：对于uCLinux而言，由于其不支持模块动态加载， 而且嵌入式Linux不能够象桌面Linux那样灵活的使用 insmod/rmmod加载、卸载设备驱动程序，因而通常在uCLinux 中采用的是将设备驱动程序静态的编译进内核。
Linux驱动程序开发
• 建立嵌入式Linux平台，移植和编写驱动程序往往 是最具挑战的工作
系统引入中断机制后，CPU与外设处于“并行”工作状态，便于实现信息的实时处理 和系统的故障处理。
3．直接访问内存（DMA）方式
利用中断，系统和设备之间可以通过设备驱动程序传送数据，但是，当传送的
数据量很大时，因为中断处理上的延迟，利用中断方式的效率会大大降低。而 直接内存访问（DMA）可以解决这一问题。DMA可允许设备和系统内存间在没 有处理器参与的情况下传输大量数据。设备驱动程序在利用DMA之前，需要选 择DMA通道并定义相关寄存器，以及数据的传输方向，即读取或写入，然后将 设备设定为利用该DMA通道传输数据。设备完成设置之后，可以立即利用该 DMA通道在设备和系统的内存之间传输数据，传输完毕后产生中断以便通知驱 动程序进行后续处理。在利用DMA进行数据传输的同时，处理器仍然可以继续 执行指令。
态”，在这一级任何操作都可以执行。 ➢ 用户态：而应用程序则用户态执行在最低级，所谓的“用户 态”，在这一级处理器禁止对硬件的直接访问和对内存的未授权访 问。 ➢ 内核空间：模块运行的空间是在所谓的“内核空间”； ➢ 用户空间：应用程序运行的空间是在“用户空间” 。 ➢ 它们分别引用不同的内存映射，也就是程序代码使用不同的 “地址空间”。
• 机制：需要提供什么功能 • 策略：如何使用这些功能 • 分层的思想
• 由于不同的环境需要不同的方式来使用硬 件，因此应尽可能做到让驱动程序不带策 略
• 驱动程序应当处理如何使硬件可用的问题, 而将如何使用硬件留给上层应用程序
设备驱动程序主要功能
• 设备驱动程序主要完成如下功能：
– 检测设备和初始化设备 – 使设备投入运行和退出服务 – 从设备接收数据并提交给内核 – 从内核接收数据送到设备 – 检测和处理设备错误
• 内存管理
– 内核在有限的可用资源之上为每一个进程创建了独立的虚拟 内存空间(MMU)
– 内核的各个部分在和内存管理系统交互的时候都使用相同的 一组函数调用，包括简单的malloc/free和其他一些复杂的函 数
Linux内核功能
• 文件系统
– 文件系统是Linux基础 – 内核在没有结构的硬件系统上面构造了结构化的文件系统 – Linux支持多种文件系统类型
Linux内核功能划分
– 进程管理 – 内存管理 – 文件系统 – 设备管理 – 网络连接（
strcut net_device ）
Linux内核功能
• 进程管理
– 进程管理负责创建和销毁进程，并处理它们与外界之间的通 信
– 控制进程如何共享CPU的调度器 – 总之，在单个或者多个CPU上实现了多个进程的抽象
什么是设备驱动程序(DD)？ • 在Linux内核中扮演特殊角色，使某个特定 硬件响应一个定义良好的内部编程接口， 该接口完全隐藏设备的工作细节
• DD的任务是将用户的标准化调用作用于实 际硬件的设备特有操作上
• 为什么要编写设备驱动程序？
Linux的设备驱动程序
• 硬件设备与应用程序之间的一个中间软件层 • 它使得某个特定硬件能够响应一个定义良好的内
移除连接
嵌入式Linux的设备管理
Linux将设备分成两大类：一类是块设备，类似磁盘以记录块或扇区为单位，成块 进行输入/输出的设备；另一类是字符设备，类似键盘以字符为单位，逐个进行输入/ 输出的设备。网路设备是介于块设备和字符设备之间的一种特殊设备。
块设备接口仅支持面向块的I/O操作，所有I/O操作都通过在内核地址空间中的I/O 缓冲区进行，它可以支持随机存取的功能。文件系统通常都建立在块设备上。
• YAFFS （Yet Another Flash File System)
• ROMFS
• RAMFS • JFFS2（Journaling Flash File System）
• 设备控制
– 几乎每一个系统操作都会映射到物理设备上 – 除去CPU，内存以及其他几个很有限的对象之外，几乎所有
的设备控制操作都由与被控制设备相关的代码（设备驱动程 序）来完成
应用程序通过de驱v动文程件序在节哪儿点访问驱动程序 应用程序通过proc文件节点可以查询设备
驱动的信息
驱动程序在哪儿
• 驱动程序位于drivers目录下 • 驱动程序占kernel代码50%或以上
Linux驱动程序编译方式
Linux中驱动程序的使用可以按照两种方式进行编译： ➢ 一种是静态编译进内核； ➢ 另一种是编译成模块以供动态加载。
– 它们的数据传送往往不是面向流的，因此很难将它们映射到一个文件 系统的节点上。
Linux下设备驱动程序组成
自动配置和初始化子程序： 负责检测所要驱动的硬件设备是否工作正常，如果该设 备正常，则对这个设备及其相关驱动程序所需要的软件 状态进行初始化。这部分驱动程序仅在初始化的时候被 调用一次。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
嵌入式驱动程序的作用
嵌入式驱动程序的作用
驱动程序提供软件访问硬件的机制
➢ 应用软件通过驱动程序安全高效的访问硬件 ➢ 驱动程序文件节点可以方便的提供访问权限 控制 ➢ 驱动程序作为一个隔离的中间层软件，将底 层细节隐藏起来，提高了软件的可移植性
访问Linux设备驱动的方法