Linux系统驱动开发的基础知识点有哪些

这篇文章主要介绍了linux系统驱动开发的基础知识点有哪些的相关知识，内容详细易懂，操作简单快捷，具有一定借鉴价值，相信大家阅读完这篇Linux系统驱动开发的基础知识点有哪些文章都会有所收获，下面我们一起来看看吧。

基础性总结

1, linux驱动一般分为3大类：

＊ 字符设备 ＊ 块设备 ＊ 网络设备

2, 开发环境构建：

＊ 交叉工具链构建 ＊ NFS和tftp服务器安装

3, 驱动开发中设计到的硬件：

＊ 数字电路知识 ＊ ARM硬件知识 ＊ 熟练使用万用表和示波器 ＊ 看懂芯片手册和原理图

4, linux内核源代码目录结构：

＊ arch/: arch子目录包括了所有和体系结构相关的核心代码。它的每一个子目录都代表一种支持的体系结构，例如i386就是关于intel cpu及与之相兼容体系结构的子目录。 

＊ block/: 部分块设备驱动程序； 

＊ crypto: 常用加密和散列算法（如AES、SHA等），还有一些压缩和CRC校验算法； 

＊ documentation/: 文档目录,没有内核代码，只是一套有用的文档； 

＊ drivers/: 放置系统所有的设备驱动程序；每种驱动程序又各占用一个子目录：如，/block 下为块设备驱动程序，比如ide（ide.c）。如果你希望查看所有可能包含文件系统的设备是如何初始化的，你可以看 drivers/block/genhd.c中device_setup()。 

＊ fs/: 所有的文件系统代码和各种类型的文件操作代码，它的每一个子目录支持一个文件系统, 例如fat和ext2； 

＊ include/: include子目录包括编译核心所需要的大部分头文件。与平台无关的头文件在 include/linux子目录下，与 intel cpu相关的头文件在include/asm-i386子目录下,而include/scsi目录则是有关scsi设备的头文件目录； 

＊ init/: 这个目录包含核心的初始化代码(注：不是系统的引导代码)，包含两个文件main.c和Version.c，这是研究核心如何工作的好的起点之一； 

＊ ipc/: 这个目录包含核心的进程间通讯的代码； 

＊ kernel/: 主要的核心代码，此目录下的文件实现了大多数linux系统的内核函数，其中最重要的文件当属sched.c；同样，和体系结构相关的代码在arch/i386/kernel下； 

＊ lib/: 放置核心的库代码； 

＊ mm/：这个目录包括所有独立于 cpu 体系结构的内存管理代码，如页式存储管理内存的分配和释放等；而和体系结构相关的内存管理代码则位于arch/i386/mm/下； 

＊ net/: 核心与网络相关的代码； 

＊ scripts/: 描述文件，脚本，用于对核心的配置； 

＊ security: 主要是一个SELinux的模块； 

＊ sound: 常用音频设备的驱动程序等； 

＊ usr: 实现了用于打包和压缩的cpio。

5, 内核的五个子系统：

＊ 进程调试（SCHED） ＊ 内存管理(MM) ＊ 虚拟文件系统(VFS) ＊ 网络接口(NET) ＊ 进程间通信(IPC)

6, linux内核的编译：

＊ 配置内核：make menuconfig，使用后会生成一个.confiig配置文件，记录哪些部分被编译入内核，哪些部分被编译成内核模块。 ＊ 编译内核和模块的方法：make zImage Make modules ＊ 执行完上述命令后，在arch/arm/boot/目录下得到压缩的内核映像zImage，在内核各对应目录得到选中的内核模块。

7, 在linux内核中增加程序

（直接编译进内核）要完成以下3项工作： ＊ 将编写的源代码拷入linux内核源代码相应目录 ＊ 在目录的Kconifg文件中增加关于新源代码对应项目的编译配置选项 ＊ 在目录的Makefile文件中增加对新源代码的编译条目

8, linux下C编程的特点：

内核下的Documentation/codingStyle描述了linux内核对编码风格的要求。具体要求不一一列举，以下是要注意的： ＊ 代码中空格的应用 ＊ 当前函数名： GNU C预定义了两个标志符保存当前函数的名字，__FUNCTION__保存函数在源码中的名字，__PRETTY_FUNCTION__保存带语言特色的名字。 由于C99已经支持__func__宏，在linux编程中应该不要使用__FUNCTION__,应该使用__func__。 ＊内建函数：不属于库函数的其他内建函数的命名通常以__builtin开始。

9，内核模块

内核模块主要由如下几部分组成： （1） 模块加载函数 （2） 模块卸载函数 （3） 模块许可证声明（常用的有Dual BSD/GPL,GPL,等） （4） 模块参数（可选）它指的是模块被加载的时候可以传递给它的值，它本身对应模块内部的全局变量。例如P88页中讲到的一个带模块参数的例子： insmod book.ko book_name=”GoOD BOOK” num=5000 （5） 模块导出符号（可选）导出的符号可以被其他模块使用，在使用之前只需声明一下。 （6） 模块作者等声明信息（可选） 以下是一个典型的内核模块：

   #include #include  static char *book_name = “dissecting Linux Device Driver”; static int num = 4000;  static int book_init(void) {         printk(KERN_INFO “ book name:%s\n”,book_name);         printk(KERN_INFO “ book num:%d\n”,num);         return 0; }  static void book_exit(void) {         printk(KERN_INFO “ Book module exit\n “); }  module_init(book_init); module_exit(book_exit); module_param(num, int, S_IRUGO); module_param(book_name, charp, S_IRUGO); MODULE_AUTHOR(“Song Baohua, author@linuxdriver.cn”); MODULE_LICENSE(“Dual BSD/GPL”); MODULE_DESCRIPTION(“A simple Module for testing module params”); MODULE_VERSION(“V1.0”);12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334

注意：标有init的函数在链接的时候都放在.init.text段，在.initcall.init中还保存了一份函数指针，初始化的时候内核会通过这些函数指针调用init函数，在初始化完成后释放init区段。 模块编译常用模版：

 KVERS = $(shell uname -r) # Kernel modules obj-m += book.o # Specify flags for the module compilation. #EXTRA_CFLAGS=-g -O0 build: kernel_modules kernel_modules:         make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) modules  clean:         make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) clean1234567891011

注意要指明内核版本，并且内核版本要匹配——编译模块使用的内核版本要和模块欲加载到的那个内核版本要一致。 模块中经常使用的命令：

 insmod,lsmod,rmmod 1

系统调用：

 int open(const char *pathname,int flags,mode_t mode); 1

flag表示文件打开标志，如：O_RDONLY mode表示文件访问权限，如：S_IRUSR(用户可读)，S_IRWXG(组可以读、写、执行)

10，linux文件系统与设备驱动的关系

应用程序和VFS之间的接口是系统调用，而VFS与磁盘文件系统以及普通设备之间的接口是file_operation结构体成员函数。 两个重要的函数： （1）struct file结构体定义在/linux/include/linux/fs.h(Linux 2.6.11内核)中定义。文件结构体代表一个打开的文件，系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。在内核创建和驱动源码中，struct file的指针通常被命名为file或filp。 在驱动开发中，文件读/写模式mode、标志f_flags都是设备驱动关心的内容，而私有数据指针private_data在驱动中被广泛使用，大多被指向设备驱动自定义的用于描述设备的结构体。驱动程序中常用如下类似的代码来检测用户打开文件的读写方式：

 if (file->f_mode & FMODE_WRITE) //用户要求可写 { } if (file->f_mode & FMODE_READ) //用户要求可读 { }123456

下面的代码可用于判断以阻塞还是非阻塞方式打开设备文件：

 if (file->f_flags & O_NONBLOCK) //非阻塞 pr_debug("open:non-blocking\n"); else //阻塞 pr_debug("open:blocking\n");1234

（2）struct inode结构体定义在linux/fs.h中

11，devfs、sysfs、udev三者的关系：

（1）devfs linux下有专门的文件系统用来对设备进行管理，devfs和sysfs就是其中两种。在2.4内核4一直使用的是devfs，devfs挂载于/dev目录下，提供了一种类似于文件的方法来管理位于/dev目录下的所有设备，我们知道/dev目录下的每一个文件都对应的是一个设备，至于当前该设备存在与否先且不论，而且这些特殊文件是位于根文件系统上的，在制作文件系统的时候我们就已经建立了这些设备文件，因此通过操作这些特殊文件，可以实现与内核进行交互。但是devfs文件系统有一些缺点，例如：不确定的设备映射，有时一个设备映射的设备文件可能不同，例如我的U盘可能对应sda有可能对应sdb；没有足够的主/次设备号，当设备过多的时候，显然这会成为一个问题；/dev目录下文件太多而且不能表示当前系统上的实际设备；命名不够灵活，不能任意指定等等。 （2）sysfs 正因为上述这些问题的存在，在linux2.6内核以后，引入了一个新的文件系统sysfs，它挂载于/sys目录下，跟devfs一样它也是一个虚拟文件系统，也是用来对系统的设备进行管理的，它把实际连接到系统上的设备和总线组织成一个分级的文件，用户空间的程序同样可以利用这些信息以实现和内核的交互，该文件系统是当前系统上实际设备树的一个直观反应，它是通过kobject子系统来建立这个信息的，当一个kobject被创建的时候，对应的文件和目录也就被创建了，位于/sys下的相关目录下，既然每个设备在sysfs中都有唯一对应的目录，那么也就可以被用户空间读写了。用户空间的工具udev就是利用了sysfs提供的信息来实现所有devfs的功能的，但不同的是udev运行在用户空间中，而devfs却运行在内核空间，而且udev不存在devfs那些先天的缺陷。 

（3）udev udev是一种工具，它能够根据系统中的硬件设备的状况动态更新设备文件，包括设备文件的创建，删除等。设备文件通常放在/dev目录下，使用udev后,在/dev下面只包含系统中真实存在的设备。它于硬件平台无关的，位于用户空间，需要内核sysfs和tmpfs的支持，sysfs为udev提供设备入口和uevent通道，tmpfs为udev设备文件提供存放空间。

12，linux设备模型：

在linux内核中，分别使用bus_type,device_driver,device来描述总线、驱动和设备，这3个结构体定义于include/linux/device.h头文件中。驱动和设备正是通过bus_type中的match()函数来配对的。

13, 重要结构体解析

（1）cdev结构体 在linux2.6内核中，使用cdev结构体描述一个字符设备，定义如下：

 struct cdev{     struct kobject kobj;//内嵌的kobject对象     struct module *owner;//所属模块     struct file_operations *ops;//文件操作结构体     struct list_head list;     dev_t dev;//设备号,长度为32位，其中高12为主设备号，低20位为此设备号     unsigned int count; };12345678

（2）file_operations结构体 结构体file_operations在头文件linux/fs.h中定义，用来存储驱动内核模块提供的对设备进行各种操作的函数的指针。这些函数实际会在应用程序进行linux的open(),write(),read(),close()等系统调用时最终被调用。该结构体的每个域都对应着驱动内核模块用来处理某个被请求的事务的函数地址。源代码（2.6.28.7）如下：

 struct file_operations{     struct module*owner;     loff_t (*llseek)(struct file*,loff_t,int);     ssize_t (*read)(struct file*,char__user*,size_t,loff_t*);     ssize_t (*write)(struct file*,constchar__user*,size_t,loff_t*);     ssize_t (*aio_read)(struct kiocb*,cons tstruct iovec*,unsigned long,loff_t);     ssize_t (*aio_write)(struct kiocb*,const struct iovec*,unsigned long,loff_t);     int (*readdir)(struct file*,void*,filldir_t);     unsigned int (*poll)(struct file*,struct poll_table_struct*);     int (*ioctl)(struc inode*,struct file*,unsigned int,unsigned long);     long (*unlocked_ioctl)(struct file*,unsigned int,unsigned long);     long (*compat_ioctl)(struct file*,unsigned int,unsigned long);     int (*mmap)(struct file*,struct vm_area_struct*);     int (*open)(struct inode*,struct file*);     int (*flush)(struct file*,fl_owner_t id);     int (*release)(struct inode*,struct file*);     int (*fsync)(struct file*,struct dentry*,int datasync);     int (*aio_fsync)(struct kiocb*,int datasync);     in (*fasync)(int,struct file*,int);     int (*lock)(struct file*,int,struct file_lock*);     ssize_t (*sendpage)(struct file*,struct page*,int,size_t,loff_t*,int);     unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file*,unsigned long,unsigned long,unsigned long,unsigned long);     in t(*check_flags)(int);     int (*dir_notify)(structfile*filp,unsignedlongarg);     int (*flock)(structfile*,int,structfile_lock*);     ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info*,struct file*,loff_t*,size_t,unsig ned int);     ssize_t (*splice_read)(struct file*,loff_t*,struct pipe_inode_info*,size_t,unsigned int);     int(*setlease)(struct file*,long,struct file_lock**); }; 1234567891011121314151617181920212223242526272829

解析：

 struct module*owner;  loff_t (*llseek)(struct file*filp,loff_tp,int orig);  ssize_t (*read)(struct file *filp,char__user *buffer,size_t size,loff_t *p);  ssize_t (*aio_read)(struct kiocb*,char__user *buffer,size_t size,loff_t p);  ssize_t (*write)(struct file*filp,const char__user *buffer,size_t count,loff_t *ppos);  ssize_t (*aio_write)(struct kiocb*,const char__user *buffer,size_t count,loff_t *ppos);  int (*readdir)(struct file*filp,void*,filldir_t);  unsigned int(*poll)(struct file*,struct poll_table_struct*);  int (*ioctl)(struct inode*inode,struct file*filp,unsigned int cmd,unsigned long arg);  int(*mmap)(struct file*,struct vm_area_struct*);  int(*open)(struct inode *inode,struct file *filp);  int(*flush)(struct file*);  int(*release)(struct inode*,struct file*);  int (*synch)(struct file*,struct dentry*,intdatasync); //刷新待处理的数据,允许进程把所有的脏缓冲区刷新到磁盘。 int(*aio_fsync)(struct kiocb*,int);  int(*fasync)(int,struct file*,int); //这个函数是系统支持异步通知的设备驱动，下面是这个函数的模板： static int***_fasync(intfd,structfile*filp,intmode) { struct***_dev*dev=filp->private_data; returnfasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);//第四个参数为fasync_struct结构体指针的指针。 //这个函数是用来处理FASYNC标志的函数。（FASYNC：表示兼容BSD的fcntl同步操作）当这个标志改变时，驱动程序中的fasync（）函数将得到执行。 }  int (*lock)(struct file*,int,struct file_lock*); //lock方法用来实现文件加锁;加锁对常规文件是必不可少的特性,但是设备驱动几乎从不实现它. ssize_t (*readv)(structfile*,const struct iovec*,unsigned long,loff_t*); ssize_t (*writev)(struct file*,const struct iovec*,unsigned long,loff_t*);  ssize_t (*sendfile)(struct file*,loff_t*,size_t,read_actor_t,void*);  ssize_t (*sendpage)(structfile*,structpage*,int,size_t,loff_t*,int);  unsigned long(*get_unmapped_area)(struct file*,unsigned long,unsignedlong,unsigned long,unsigned long);  int (*check_flags)(int) //这个方法允许模块检查传递给fnctl(F_SETFL...)调用的标志. int (*dir_notify)(struct file*,unsigned long); //这个方法在应用程序使用fcntl来请求目录改变通知时调用.只对文件系统有用;驱动不需要实现dir_notify.123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596

14, 字符设备驱动程序设计基础

主设备号和次设备号（二者一起为设备号）： 一个字符设备或块设备都有一个主设备号和一个次设备号。主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序，用来反映设备类型。次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备，用来区分同类型的设备。 linux内核中，设备号用dev_t来描述，2.6.28中定义如下：

 typedef u_long dev_t;1

在32位机中是4个字节，高12位表示主设备号，低12位表示次设备号。

可以使用下列宏从dev_t中获得主次设备号：也可以使用下列宏通过主次设备号生成dev_t:

 MAJOR(dev_tdev); MKDEV(intmajor,intminor); MINOR(dev_tdev);123

分配设备号（两种方法）： （1）静态申请：

 int reGISter_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char *name)； 1

（2）动态分配:

 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name)； 1

注销设备号：

 void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count)； 1

创建设备文件： 利用cat/proc/devices查看申请到的设备名，设备号。 （1）使用mknod手工创建：mknod filename type major minor （2）自动创建； 利用udev（mdev）来实现设备文件的自动创建，首先应保证支持udev（mdev），由busybox配置。在驱动初始化代码里调用class_create为该设备创建一个class，再为每个设备调用device_create创建对应的设备。

15, 字符设备驱动程序设计

设备注册： 字符设备的注册分为三个步骤： （1）分配

 cdev:struct cdev *cdev_alloc(void); 1

（2）初始化

 cdev：void cdev_init(struct cdev *cdev,const struct file_operations *fops)； 1

（3）添加

 cdev：int cdev_add(struct cdev *p,dev_t dev,unsigned count) 1

设备操作的实现： file_operations函数集的实现。

 struct file_operations xxx_ops={ .owner=THIS_MODULE, .llseek=xxx_llseek, .read=xxx_read, .write=xxx_write, .ioctl=xxx_ioctl, .open=xxx_open, .release=xxx_release, … };12345678910

特别注意：驱动程序应用程序的数据交换： 驱动程序和应用程序的数据交换是非常重要的。file_operations中的read()和write()函数，就是用来在驱动程序和应用程序间交换数据的。通过数据交换，驱动程序和应用程序可以彼此了解对方的情况。但是驱动程序和应用程序属于不同的地址空间。驱动程序不能直接访问应用程序的地址空间；同样应用程序也不能直接访问驱动程序的地址空间，否则会破坏彼此空间中的数据，从而造成系统崩溃，或者数据损坏。安全的方法是使用内核提供的专用函数，完成数据在应用程序空间和驱动程序空间的交换。这些函数对用户程序传过来的指针进行了严格的检查和必要的转换，从而保证用户程序与驱动程序交换数据的安全性。这些函数有：

 unsigned long copy_to_user(void__user *to,const void *from,unsigned long n); unsigned long copy_from_user(void *to,constvoid __user *from,unsigned long n); put_user(local,user); get_user(local,user);1234

设备注销:

 void cdev_del(struct cdev *p)； 1

16，ioctl函数说明

ioctl是设备驱动程序中对设备的I/O通道进行管理的函数。所谓对I/O通道进行管理，就是对设备的一些特性进行控制，例如串口的传输波特率、马达的转速等等。它的调用个数如下：

 int ioctl(int fd,ind cmd,…)； 1

其中fd就是用户程序打开设备时使用open函数返回的文件标示符，cmd就是用户程序对设备的控制命令，后面的省略号是一些补充参数，有或没有是和cmd的意义相关的。 ioctl函数是文件结构中的一个属性分量，就是说如果你的驱动程序提供了对ioctl的支持，用户就可以在用户程序中使用ioctl函数控制设备的I/O通道。

命令的组织是有一些讲究的，因为我们一定要做到命令和设备是一一对应的，这样才不会将正确的命令发给错误的设备，或者是把错误的命令发给正确的设备，或者是把错误的命令发给错误的设备。 所以在Linux核心中是这样定义一个命令码的：

这样一来，一个命令就变成了一个整数形式的命令码。但是命令码非常的不直观，所以LinuxKernel中提供了一些宏，这些宏可根据便于理解的字符串生成命令码，或者是从命令码得到一些用户可以理解的字符串以标明这个命令对应的设备类型、设备序列号、数据传送方向和数据传输尺寸。 点击(此处)折叠或打开

  #define _IO(type,nr)        _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0) #define _IOR(type,nr,size)    _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size))) #define _IOW(type,nr,size)    _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size))) #define _IOWR(type,nr,size)    _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size))) #defin e_IOR_BAD(type,nr,size)    _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size)) #define _IOW_BAD(type,nr,size)    _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size)) #define _IOWR_BAD(type,nr,size)_IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))  #define _IOC(dir,type,nr,size)\     (((dir)

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