Linux 设备驱动开发基础

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设备驱动程序功能
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用户态与内核态




操作系统运行在两种模式下，一种是用户态，另一 种是内核态。 内核态有较高的权限，可以控制处理器内存的映射 和分配方式，访问外设空间和处理器状态寄存器， 控制中断等。 用户态只能运行系统上的应用程序。 驱动程序作为系统内核的一部分，工作在内核态。 通过（ Linux 下）get_user ，put_user ， copy_from_user ，copy_to_user等函数实现应用程 27 序和驱动程序之间传送数据。
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Linux产业链

目前，嵌入式Linux系统的研发热潮正在蓬勃兴 起，并且占据了很大的市场份额，除了一些传 统的Linux公司（如RedHat 、TimeSys、 MontaVista等）正在从事嵌入式Linux的开发和 应用之外，IBM、Intel、Motorola，Google等 著名企业也正在进行嵌入式Linux的研究，现在 很火的Android也是基于Linux实现的
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嵌入式Linux的优势(2)

内核高效稳定 Linux内核的高效和稳定已经在各个领域内得 到了大量事实的验证， Linux的内核设计非常精巧，分成进程调度、 内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网 络接口五大部分 其独特的模块机制可以根据用户的需要，实 时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。 这些特性使得Linux系统内核可以裁剪得非常 小巧，很适合于嵌入式系统的需要。
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Leabharlann Baidu
Linux操作系统简介
目前是嵌入式开发应用中的首选
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POSIX标准


POSIX（Portable Operating System Interface for Computing Systems）是由IEEE 和ISO/IEC 开发的一簇标准。 该标准是基于现有的UNIX 实践和经验，描述 了操作系统的调用服务接口。用于保证编制的 应用程序可以在源代码一级上在多种操作系统 上移植和运行。
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嵌入式Linux的优势(5)

完善的网络通信和文件管理机制


Linux至诞生之日起就与Internet密不可分， 支持所有标准的Internet网络协议，并且很容 易移植到嵌入式系统当中。 此外，Linux还支持ext2/ ext3 、fat16、fat32、 romfs、ramdisk、cramfs、jffs和jffs2等文件 系统，这些都为开发嵌入式系统应用打下了 很好的基础。
内核资源访问
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Linux系统核心架构
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Linux的设备分类

Linux支持的硬件设备：


字符设备：指那些无须缓冲直接读写的设备 块设备：只能以块为单位进行读写，典型的块大 小为512或1024字节。 网络设备 ：可以通过BSD套接口访问 视频设备：Framebuffer 音频设备：OSS (Open Sound System) 总线类：PCI, USB, IIC, IIS



Linux下的设备驱动程序是内核的一部分，运行在 内核模式，也就是说设备驱动程序为内核提供了 一个I/O接口，用户使用这个接口实现对设备的操 作。 Linux的设备驱动程序介于（设备）文件系统与物 理设备中间。用户通过应用程序进程输入输入请 求，进而调用（设备）文件系统，（设备）文件 系统通过设备驱动程序控制物理设备进行设备的 操作，如进行磁盘文件的读出和写入操作等等。 Linux设备驱动程序包含了中断处理程序和设备服 务子程序。
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Linux驱动开发基础

C语言 操作系统相关知识 一定的硬件基础 计算机体系架构 ……
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Linux开发网络资源


www.kernel.org/ http://www.linuxforum.net/ http://www.chinaunix.net/ http://www.ibm.com/developerworks/c n/linux/ ……
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Linux 各种发行版本
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嵌入式Linux的定义

嵌入式Linux (Embedded Linux)是指对Linux 经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几 十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片 机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操 作系统
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嵌入式Linux发展背景


在早期，嵌入式系统一般是基于单片机等 MCU硬件平台，它们资源比较少，而且用 户所要求的功能也比较单位，因此不需要 操作系统。 后来，由于硬件平台的复杂化以及用户需 求的多样化，因此有必要在硬件平台上构 架一个操作系统，然后再进行应用程序的 开发
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Linux设备驱动的基本作用
Linux 和其他操作系统一样，支持众多的、各式各样的外接 设备。 但是，面对层出不穷的新硬件产品，必须有人不断编写新的 驱动程序，以便让这些设备能够在Linux 下正常工作，从这 个意义上讲，讲述驱动程序的编写就是一件非常有意义的工 作。 举例来说，Linux下的驱动程序仅仅是为相应的设备编写一组 基本函数，并向VFS注册就可以安装成功了。 当应用程序需要设备时，可以访问该设备对应的文件节点， 利用VFS调用该设备的相关处理函数。
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嵌入式Linux的优势(4)

优秀的开发工具 如果使用的是嵌入式Linux，一旦软硬件能够支持正 常的串口功能时，即使不用在线仿真器也可以很好地 进行开发和调试工作，从而节省了一笔不小的开发费 用。 嵌入式Linux为开发者提供了一套完整的工具链（Tool Chain）， 它利用GNU的gcc做编译器，用gdb、kgdb、xgdb 做调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应 用软件各个级别的调试。 另外还有很多其他的binutils：如nm，ar， objdump、readelf和objcopy等等
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GNU项目

GNU是Richard Stallman 於 1975 年，在 MIT 所成立的自由软件基金会 FSF (Free Software Foundation ）中所执行的一项计划。旨在开发一个 类似UNIX 并且是自由软件的完整操作系统。 GNU 的本意代表“Gnu’s Not Unix”；虽然如此，它却是一个与 UNIX 完 全相容的软体系统。二者最大不同在於，GNU 是一个 free 的软件， UNIX 却是一个要付费的软件系统。 GNU 项目已经开发出许多高质量的免费软件，其中包括有名的emacs 编 辑系统、bash shell 程序、gcc 系列编译程序、gdb 调试程序等等。这些 软件为Linux 操作系统的开发创造了一个合适的环境。这是Linux 能够诞 生的基础之一，以至于目前许多人都将Linux 操作系统称为“GNU/Linux” 操作系统。
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嵌入式Linux的优势(1)

广泛的硬件支持 Linux能够支持x86、ARM、MIPS、ALPHA、 PowerPC等多种体系结构，目前已经成功移植 到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流 行的CPU上。 Linux有着异常丰富的驱动程序资源，支持各 种主流硬件设备和最新硬件技术。 甚至可以在没有存储管理单元（MMU）的处理 器上运行，这些都进一步促进了Linux在嵌入 式系统中的应用。
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开源软件宗师级人物
Linux之父：Linus Torvalds
GNU 创始人 Richard Stallman
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Linux的发行版本


原则上，用户可以从网上或其它地方获取Linux的内核， 并且自己编译它。然后用户用 同样的方式获取许多应 用程序的源代码，编译以后装入系统。对于复杂的程 序，这样做不但费时，而且容易出错。 为了避免这样做，用户通常选择从Linux的发行商那儿 获取操作系统和应用程序。一些组织或厂家将Linux系 统内核与应用软件（比如编译器、网络工具，office 套件、多媒体工具等）和文档包装起来，并提供一些 安装界面和系统设定与管理工具，这样就构成了一个 发行套件（也可以称为发行版本），例如最常见的 RedHat，Debian，红旗Linux等等。
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嵌入式Linux的优势(2)—续图
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嵌入式Linux的优势(3)

开放源码，软件丰富 Linux是开放源代码的自由操作系统，它为用户提供 了最大限度的自由度，由于嵌入式系统千差万别，往 往需要针对具体的应用进行修改和优化，因而获得源 代码就变得至关重要了。 Linux的软件资源十分丰富，每一种通用程序在Linux 上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。 在Linux上开发嵌入式应用软件一般不用从头做起， 而是可以选择一个类似的自由软件做为原型，在其上 进行二次开发。而且拥有全球数以千万计的共同爱好 者及开发者，拥有极其丰富的资源

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Linux设备驱动程序特点(1)



⑴核心代码：设备驱动程序是核心的一部分，像核 心中其他的代码一样，出错将导致系统的严重损伤。 一个编写不当的设备驱动程序甚至能够使系统崩溃 导致文件系统的破坏和数据的丢失； ⑵标准接口：设备驱动程序必须为Linux核心或者 其从属的子系统提供一个标准的接口； ⑶核心机制：设备驱动程序可以使用标准的核心服 务比如内存分配、中断发送和等待对列等；
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Linux设备驱动的基本功能

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。 设备驱动程序主要完成以下功能： 对设备初始化和释放。 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据。 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。 检测和处理设备出现的错误。
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内容提要






Linux操作系统简介 Linux设备驱动的基本概念 Linux设备驱动程序开发简介 Linux设备驱动程序结构 Linux设备驱动程序加载方式 内核模块编程实例
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嵌入式Linux应用
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嵌入式Linux应用
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Linux操作系统简介
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GPL

软件产业在70年代成就了两位针锋相对的领袖人物，来自哈佛 大学的比尔· 盖茨和Richard M. Stallman。 前者宣布了Copyright(版权)时代的到来，并构建了微软帝 国的辉煌； 后者于1984年创立自由软件体系--GNU，拟定普遍公用版 权协议（General Public License，简称GPL），今天Linux 的成功就得益于GPL协议。 所有GPL协议下的自由软件都遵循着Richard M. Stallman的 "Copyleft"(非版权)原则：即自由软件允许用户自由拷贝、修改 和销售，但是对其源代码的任何修改都必须向所有用户公开。
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Linux设备驱动程序特点(2)


⑷动态可加载：多数的Linux设备驱动程序可 以在核心模块发出加载请求时进行加载，同时 在不使用设备时进行卸载，这样核心可以有效 地利用系统的资源 ⑸可配置：Linux设备驱动属于核心的一部分， 用户可以根据自己的需要进行配置来选择适合 自己的驱动
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Linux设备驱动的层次
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Linux设备驱动开发的市场现状



高需求 Linux内核的绝大多数代码为设备驱动 新设备、新芯片、新驱动的需求日益迫切 高门槛 涉及到大量硬件操作 涉及到操作系统内核基础知识 涉及到并发控制与同步 复杂的软件结构框架 高回报 普通的开发人元年薪7～10万元，高级开发 人员 15 ～20万，系统级开发人员在30万以上。
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嵌入式Linux发展背景

Linux是一个成熟而稳定的网络操作系统。将Linux植入嵌入式设备具有 众多的优点。 首先，Linux的源代码是开放的，任何人都可以获取并修改，用之开 发自己的产品。 其次，Linux是可以定制的，其系统内核最小只有约134kB。一个带 有中文系统和图形用户界面的核心程序也可以做到不足1MB，并且同 样稳定。 另外，它和多数Unix系统兼容，应用程序的开发和移植相当容易。 而且对于熟悉使用Unix的开发人员来说，上手也快 同时，它具有良好的可移植性，人们已成功使Linux运行于数百种硬 件平台之上。 （ARM, Mips, PowerPC,IA-32,IA-64）