Linux驱动复习------驱动
一、Linux下驱动的分类
1. 字符设备驱动
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定义：以字符为单位，一个字节一个字节地读写操作设备
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特点：以字符流的形式传输数据，不带缓存
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常见设备：鼠标、键盘、串口
2. 块设备驱动
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定义：以固定块的大小为单位（通常是512字节）读写操作设备
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特点：带缓存，提高读写效率
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常见设备：SD卡、磁盘、硬盘
3. 网络设备驱动
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定义：将网络数据包从物理层传输到网络层，并将网络层的数据封装成物理层可以传输的形式
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特点：需要集成多种网络协议及接口标准
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常见设备：以太网卡
二、字符设备驱动实现流程
1. 驱动实现步骤
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构建cdev结构体，用来描述字符型设备
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构建file_operations结构体，用来描述驱动层操作函数集合
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通过module_init和module_exit指定驱动模块的入口函数和注销函数
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通过MODULE_LICENSE宏，指定GNU组织规定的GPL协定
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实现驱动模块的入口函数
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实现驱动模块的注销函数
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完成file_operations结构体中各函数的具体实现
2. 驱动模块入口函数实现
static int __init driver_init(void)
{
// 1. 注册字符型设备（两种方式）
register_chrdev_region(dev, count, name); // 静态注册
// 或
alloc_chrdev_region(&dev, baseminor, count, name); // 动态注册
// 2. 初始化cdev结构体
cdev_init(&cdev, &fops);
// 3. 将cdev结构体添加到系统
cdev_add(&cdev, dev, count);
// 4. 创建类
class_create(THIS_MODULE, "class_name");
// 5. 在这个类下创建设备节点
device_create(class, NULL, dev, NULL, "device_name");
// 6. 完成对硬件的初始化
return 0;
}3. 驱动模块注销函数实现
static void __exit driver_exit(void)
{
// 1. 注销字符型设备
unregister_chrdev_region(dev, count);
// 2. 从系统中删除cdev结构体
cdev_del(&cdev);
// 3. 删除类
class_destroy(class);
// 4. 删除设备节点
device_destroy(class, dev);
// 5. 完成对硬件的注销
}4. file_operations结构体实现
static struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = open_function, // 打开设备
.read = read_function, // 读取数据
.write = write_function, // 写入数据
.release = close_function, // 关闭设备
.unlocked_ioctl = ioctl_function, // 控制命令
};三、驱动编译流程
1. 编译步骤
1. 在drivers/char下编写驱动程序（如led.c）
2. 修改Makefile文件
在drivers/char/Makefile中添加：
obj-$(CONFIG_LED) += led.o
3. 修改Kconfig文件，增加驱动编译选项
在drivers/char/Kconfig中添加：
config LED
tristate "LED Driver"
help
This is a LED driver.
4. 回到内核源码顶层目录，配置内核
make menuconfig
将对应的驱动选项选择为：
# 'Y'(*) - 静态编译进内核
# 'M' - 编译成模块
# 'N' - 不编译
# 5. 编译驱动
make # 编译整个内核（包含静态编译的驱动）
make modules # 只编译模块（动态编译）四、静态编译和动态编译的区别
| 比较项 | 静态编译 | 动态编译 |
|---|---|---|
| 编译方式 | 直接编译进内核 | 编译成.ko模块 |
| 修改难度 | 修改后需重新配置内核并编译 | 修改后只需重新编译.ko模块 |
| 开发调试 | 比较复杂 | 相对简单 |
| 使用场景 | 稳定、常用的驱动 | 开发调试阶段的驱动 |
五、设备号相关概念
1. 主设备号和次设备号
-
主设备号：设备的类型
-
次设备号：该类设备下具体的某一个设备
2. 设备号大小
-
Linux下用32位的unsigned int类型表示设备号
-
高12位：代表主设备号
-
低20位：代表次设备号
3. 设备号构建
// 通过MKDEV宏，传入主次设备号来构建一个新的设备号
dev_t dev = MKDEV(major, minor);4. 杂项设备的主设备号
- 杂项设备主设备号固定为10
5. 静态注册和动态注册的区别
| 比较项 | 静态注册 | 动态注册 |
|---|---|---|
| 函数 | register_chrdev_region | alloc_chrdev_region |
| 设备号来源 | 自己定义主次设备号 | 系统自动分配 |
| 优点 | 设备号固定 | 不会冲突 |
| 缺点 | 可能和系统中设备号冲突 | 设备号不固定 |
六、字符设备驱动和杂项设备驱动的区别
| 比较项 | 字符设备驱动 | 杂项设备驱动 |
|---|---|---|
| 设备号 | 需要自己定义或系统分配 | 主设备号固定为10 |
| 设备节点 | 需要手动创建 | 可以自动生成 |
| 复杂度 | 较高 | 较低 |
手动创建设备节点
mknod /dev/xxx c 248 0
# /dev/xxx：设备节点
# c：设备类型，字符型设备
# 248：主设备号
# 0：次设备号七、驱动模块加载
1. 加载命令
insmod xxx.ko # 加载驱动模块
modprobe xxx.ko # 加载驱动模块
rmmod xxx # 卸载驱动模块
lsmod # 查看已加载的模块2. insmod和modprobe区别
| 命令 | 特点 |
|---|---|
| insmod | 不会分析驱动模块之间的依赖关系 |
| modprobe | 会分析驱动模块之间的依赖关系，自动加载依赖模块 |
八、__init 和 __exit 作用
1. __init 作用
-
执行insmod加载驱动模块时，会自动执行被__init修饰的函数
-
执行完该函数后，会自动回收内存空间
2. __exit 作用
-
执行rmmod卸载驱动模块时，会执行被__exit修饰的函数
-
执行完后会自动释放相关内存空间
九、platform平台驱动
1. platform思想
-
目的：实现设备和驱动分离，方便更好地对驱动资源进行管理
-
原理：将device设备和driver驱动分离，注册到platform总线bus上
-
匹配方式：通过name、设备树compatible、ID table进行匹配
-
匹配成功后：执行driver中的probe函数
-
注销时：执行remove函数
2. platform匹配方式
-
name匹配
-
设备树compatible匹配
-
ID table匹配
3. platform驱动实现流程
(1) 设备树描述device信息
// 在设备树中增加设备节点
ptled {
compatible = "pt-led"; // 用于匹配
ptdht11-gpio = <&gpio1 2 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
status = "okay";
};(2) 驱动实现
// 1. 定义匹配表
static struct of_device_id led_table[] = {
{.compatible = "pt-led"},
{}
};
// 2. 定义platform_driver结构体
static struct platform_driver pdrv = {
.probe = probe, // 匹配成功执行
.remove = remove, // 注销时执行
.driver = {
.name = "led",
.of_match_table = led_table // 匹配表
}
};
// 3. 注册platform驱动
static int __init led_driver_init(void)
{
return platform_driver_register(&pdrv);
}
// 4. 注销platform驱动
static void __exit led_driver_exit(void)
{
platform_driver_unregister(&pdrv);
}
// 5. probe函数实现
static int probe(struct platform_device * pdev)
{
// 获取设备树中的GPIO信息
led_gpio = of_get_named_gpio(pdev->dev.of_node, "ptdht11-gpio", 0);
// 注册杂项设备/字符设备
misc_register(&misc_dev);
// 初始化硬件
gpio_request(led_gpio, "led");
gpio_direction_output(led_gpio, 1);
return 0;
}十、I2C子系统驱动框架
1. I2C子系统层次结构
用户层：调用驱动层接口，操作I2C设备
↓
I2C设备驱动层：自己实现的I2C设备和驱动
↓
I2C核心层(core)：提供I2C设备和驱动的注册、匹配、通信的方法
↓
I2C适配器驱动层：I2C控制器驱动，一般由芯片厂家实现
↓
I2C物理硬件层：具体I2C硬件设备（如LM75传感器）2. 各层功能
| 层次 | 功能 |
|---|---|
| 物理硬件层 | 具体的I2C硬件设备 |
| 适配器驱动层 | I2C控制器驱动，由芯片厂家实现 |
| 核心层 | 管理设备和驱动的注册、匹配、通信方法 |
| 设备驱动层 | 自己实现的I2C设备驱动 |
| 用户层 | 调用驱动接口操作I2C设备 |
3. 工作流程
-
I2C传感器挂载在I2C总线上
-
I2C适配器驱动层由芯片厂家实现
-
I2C核心层管理设备和驱动的注册、匹配、通信
-
设备驱动层将I2C总线上设备和驱动匹配
-
匹配成功后执行probe函数
-
注销时执行remove函数
-
应用层调用驱动接口实现I2C数据读写
十一、GPIO子系统相关操作函数
| 函数 | 功能 |
|---|---|
| gpio_request() | 申请一个GPIO引脚 |
| gpio_free() | 释放GPIO引脚 |
| gpio_direction_output() | 设置GPIO为输出模式 |
| gpio_direction_input() | 设置GPIO为输入模式 |
| gpio_set_value() | 设置GPIO引脚电平 |
| gpio_get_value() | 获取GPIO引脚电平 |
使用示例
// 1. 申请GPIO
ret = gpio_request(led_gpio, "led");
// 2. 设置方向
gpio_direction_output(led_gpio, 1); // 输出高电平
// 3. 控制电平
gpio_set_value(led_gpio, 0); // 输出低电平
// 4. 读取电平
int val = gpio_get_value(key_gpio);
// 5. 释放GPIO
gpio_free(led_gpio);十二、中断实现
1. 中断处理的两部分
中断顶半部（上半部）
-
中断服务函数
-
特点：处理速度要快，不能加延时
-
任务：接收中断，调度底半部处理
中断底半部（下半部）
-
处理费时的任务
-
三种实现方式：
| 方式 | 上下文 | 能否延时 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 软中断 | 中断上下文 | 不能加延时 | 基于中断上下文 |
| tasklet | 中断上下文 | 不能加延时 | 基于软中断实现 |
| 工作队列 | 进程上下文 | 可以加延时 | 基于进程上下文 |
2. 中断实现示例
(1) tasklet方式
// 定义tasklet结构体
static struct tasklet_struct tsk;
// tasklet处理函数
static void key_tasklet_handler(unsigned long arg)
{
// 处理费时任务，但不能延时
condition = 1;
wake_up_interruptible(&wq);
}
// 中断顶半部
static irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void * dev)
{
// 调度tasklet执行底半部
tasklet_schedule(&tsk);
return IRQ_HANDLED;
}
// 初始化tasklet
tasklet_init(&tsk, key_tasklet_handler, 100);(2) 工作队列方式
// 定义工作结构体
static struct work_struct work;
// 工作处理函数
static void key_work_func(struct work_struct *work)
{
// 处理费时任务，可以延时
ssleep(1); // 可以休眠
condition = 1;
wake_up_interruptible(&wq);
}
// 中断顶半部
static irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void * dev)
{
// 调度工作队列执行底半部
schedule_work(&work);
return IRQ_HANDLED;
}
// 初始化工作队列
INIT_WORK(&work, key_work_func);十三、同步机制：互斥锁、自旋锁、读写锁
1. 互斥锁
-
特点：加锁解锁过程中，CPU可以切换调度任务
-
适用场景：长时间资源占用时使用
2. 自旋锁
-
特点：加锁过程中，CPU处于忙等待，不会进行任务调度和切换
-
适用场景：短时间资源占用时使用
3. 读写锁
特点
- 一把锁分为两部分：读锁和写锁
| 操作 | 效果 |
|---|---|
| 加读锁 | 多个线程同时读不会阻塞（读锁共享） |
| 加写锁 | 效果和互斥锁相同，只允许一个线程写（写锁独占） |
应用场景
-
多个线程操作同一个临界资源时
-
读操作多于写操作时，读写锁效率高于互斥锁
十四、驱动整体框架总结
1. 字符设备驱动完整示例
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#define DEV_NAME "demo"
static int major;
static struct cdev cdev;
static struct class *cls;
// 文件操作函数
static int open(struct inode *inode, struct file *file)
{
printk("device open\n");
return 0;
}
static ssize_t read(struct file *file, char __user *buf,
size_t size, loff_t *off)
{
return 0;
}
static struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = open,
.read = read,
};
// 模块入口
static int __init demo_init(void)
{
dev_t dev;
// 1. 分配设备号
alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, DEV_NAME);
major = MAJOR(dev);
// 2. 初始化cdev
cdev_init(&cdev, &fops);
// 3. 添加cdev到系统
cdev_add(&cdev, dev, 1);
// 4. 创建类
cls = class_create(THIS_MODULE, "demo_class");
// 5. 创建设备节点
device_create(cls, NULL, dev, NULL, DEV_NAME);
printk("demo init success, major=%d\n", major);
return 0;
}
// 模块出口
static void __exit demo_exit(void)
{
dev_t dev = MKDEV(major, 0);
device_destroy(cls, dev);
class_destroy(cls);
cdev_del(&cdev);
unregister_chrdev_region(dev, 1);
printk("demo exit\n");
}
module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");2. 杂项设备驱动简化版
#include <linux/miscdevice.h>
static struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = open,
.read = read,
};
static struct miscdevice misc_dev = {
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, // 动态分配次设备号
.name = "demo", // 设备名
.fops = &fops // 文件操作
};
static int __init demo_init(void)
{
return misc_register(&misc_dev);
}
static void __exit demo_exit(void)
{
misc_deregister(&misc_dev);
}