Linux系統(tǒng)的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)有什么作用

本篇內(nèi)容介紹了“Linux系統(tǒng)的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)有什么作用”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過(guò)程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

什么是驅(qū)動(dòng)？
最通俗的解釋就是“驅(qū)使硬件設(shè)備行動(dòng)”
 
作用？
設(shè)備驅(qū)動(dòng)與底層硬件直接打交道，按照硬件設(shè)備的具體工作方式讀寫(xiě)設(shè)備寄存器，完成設(shè)備的輪詢(xún)、中斷處理、DMA通信，進(jìn)行物理內(nèi)存向虛擬內(nèi)存的映射，最終使通信設(shè)備能夠收發(fā)數(shù)據(jù)，使顯示設(shè)備能夠顯示文字和畫(huà)面，使存儲(chǔ)設(shè)備能夠記錄文件號(hào)數(shù)據(jù)
 
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件主要有cpu、存儲(chǔ)器、外設(shè)組成。但是隨著IC制造工藝的發(fā)展，目前，芯片的集成度越來(lái)越高，往往cpu內(nèi)部就集成了存儲(chǔ)器和外設(shè)適配器。ARM處理器集成了UART、I2C控制器（2==平方）、USB控制器、SDRAM控制器等

驅(qū)動(dòng)針對(duì)的對(duì)象是存儲(chǔ)器和外設(shè)（包括cpu內(nèi)部集成的存儲(chǔ)器和外設(shè)），而不是針對(duì)cpu核。Linux將存儲(chǔ)器和外設(shè)分為3個(gè)基礎(chǔ)大類(lèi)：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
 
字符設(shè)備之那些必須以串行順序依次進(jìn)行訪問(wèn)的設(shè)備，如觸摸屏、磁帶驅(qū)動(dòng)器、鼠標(biāo)等?？稍O(shè)備可以按照任意順序進(jìn)行訪問(wèn)，以塊為單位進(jìn)行操作，如硬盤(pán)、軟驅(qū)等。字符設(shè)備不經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的快速緩沖，而塊設(shè)備經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的快速緩沖。但是，字符設(shè)備和塊設(shè)備并沒(méi)有明顯的界限，如flash設(shè)備符合塊設(shè)備的特點(diǎn)，但是我們?nèi)匀豢梢园阉鳛橐粋€(gè)字符設(shè)備來(lái)訪問(wèn)
 
在Linux系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備面向數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送而設(shè)計(jì)，它并不對(duì)應(yīng)于文件系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。內(nèi)核與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信和內(nèi)核與字符設(shè)備、塊設(shè)備的通信方式完全不同。

如上圖所示，除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，字符設(shè)備與塊設(shè)備都被映射到Linux文件系統(tǒng)的文件和目錄，通過(guò)文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口open()、write()、read()、close()等函數(shù)即可訪問(wèn)字符設(shè)備和塊設(shè)備。塊設(shè)備比字符設(shè)備復(fù)雜，在它上面會(huì)首先建立一個(gè)磁盤(pán)/Flash文件系統(tǒng)，如FAT、Ext3、YAFFS、JFFS等FAT、Ext3、YAFFS、JFFS規(guī)范了文件和目錄在存儲(chǔ)介質(zhì)上的組織
 
應(yīng)用程序可以使用Linux的系統(tǒng)調(diào)用接口編程，也可由使用c庫(kù)函數(shù)，出于可移植性的考慮，后者更值得推薦。c庫(kù)函數(shù)本身也是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用接口而實(shí)現(xiàn)的
 
在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，LED一般直接由cpu的GPIO控制。GPIO一般有兩組寄存器控制，即一組控制寄存器和一組數(shù)據(jù)寄存器。控制寄存器可設(shè)置GPIO口的工作方式為輸入或輸出。當(dāng)引腳設(shè)置為輸出時(shí)，向數(shù)據(jù)寄存器的對(duì)應(yīng)位寫(xiě)入1和0會(huì)分別在引腳上產(chǎn)生高電平和低電平；當(dāng)引腳設(shè)置為輸入時(shí)，讀取數(shù)據(jù)寄存器的對(duì)應(yīng)位可獲得引腳上相應(yīng)的電平信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)
處理器的分類(lèi)，如下圖所示：

存儲(chǔ)器可分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）、閃存（Flash）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、光介質(zhì)存儲(chǔ)器和磁介質(zhì)存儲(chǔ)器
 
Nor Flash和cpu的接口屬于典型的類(lèi)SRAM接口，不需要增加額外的控制電路。Nor Flash的特點(diǎn)是可芯片內(nèi)執(zhí)行，程序可以直接在Nor內(nèi)運(yùn)行。而Nand Fash和cpu的接口必須由相應(yīng)的控制電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)然也可以通過(guò)地址線或GPIO產(chǎn)生Nand Flash接口的信號(hào)。Nand Flash以塊方式進(jìn)行訪問(wèn)，不支持芯片內(nèi)執(zhí)行。
 
Flash的編程原理都是只能將1寫(xiě)為0，而不能將0寫(xiě)完1.所以在Flash編程之前必須將對(duì)應(yīng)的塊擦除，而擦除的過(guò)程就是把所有的位都寫(xiě)為1的過(guò)程，塊內(nèi)的所有字節(jié)變?yōu)?xFF
 
存儲(chǔ)器的分類(lèi)，如下圖所示：

原理圖分析：通過(guò)閱讀電路板的原理圖獲得各種存儲(chǔ)器、外設(shè)所使用的硬件資源，主要包括存儲(chǔ)器和外設(shè)控制芯片所使用的片選、中斷、DMA資源。通過(guò)分析片選得出芯片的內(nèi)存、I/O基地址，通過(guò)分析中斷、DMA信號(hào)獲得芯片使用的中斷號(hào)和DMA通道，歸納出類(lèi)似下表：

時(shí)序分析：對(duì)驅(qū)動(dòng)工程師或硬件工程師而言，時(shí)序分析的意思是讓芯片之間的訪問(wèn)滿(mǎn)足芯片手冊(cè)中時(shí)序圖信號(hào)有效的先后順序、采樣建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求，在電路板工作不正常的時(shí)候，準(zhǔn)確的定位時(shí)序方面的問(wèn)題

內(nèi)核及內(nèi)核編程
在設(shè)備驅(qū)動(dòng)方面，Linux2.6相對(duì)于Linux2.4有較大的改動(dòng)，這主要表現(xiàn)在內(nèi)核API中增加了不少新功能（如內(nèi)存池）、sysfs文件系統(tǒng)、內(nèi)核模塊從.o變?yōu)?ko、驅(qū)動(dòng)模塊編譯方式、模塊使用計(jì)數(shù)、模塊加載和卸載函數(shù)的定義等方面
 
Linux內(nèi)核主要有進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口和進(jìn)程間通信等5個(gè)子系統(tǒng)組成，如下圖：

在設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程中，當(dāng)請(qǐng)求的資源不能滿(mǎn)足時(shí)，驅(qū)動(dòng)一般會(huì)調(diào)度其他線程執(zhí)行，并使驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到它請(qǐng)求的資源被釋放，才會(huì)被喚醒而紀(jì)念日就緒狀態(tài)
 
在設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程中，如果需要幾個(gè)并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)，可以啟動(dòng)內(nèi)核線程，啟動(dòng)內(nèi)核線程的函數(shù)為：int kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags);
 
Linux內(nèi)存管理完成為每個(gè)進(jìn)程進(jìn)行虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的轉(zhuǎn)換。一般而言，Linux的每個(gè)進(jìn)程享有4GB的內(nèi)存空間，0-3GB屬于用戶(hù)空間，3-4GB屬于內(nèi)核空間，內(nèi)核空間對(duì)常規(guī)內(nèi)存、I/O設(shè)備內(nèi)存以及高端內(nèi)存存在不同的處理方式
 
虛擬文件系統(tǒng)隱藏了各種硬件的具體細(xì)節(jié)，為所有的設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口。而且，它獨(dú)立于各個(gè)具體的文件系統(tǒng)，是對(duì)各種文件系統(tǒng)的一個(gè)抽象，它使用super block存放文件系統(tǒng)相關(guān)信息，使用索引節(jié)點(diǎn)inode存放文件的物理信息，使用目錄項(xiàng)dentry存放文件的邏輯信息
 
Linux系統(tǒng)只能通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用和硬件中斷完成從用戶(hù)空間到內(nèi)核空間的控制轉(zhuǎn)移。

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