Linux设备驱动程序与编写应用程序的本质区别

5RJg_mcuworld 2018-03-31 16500

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描述

Linux驱动程序的开发与应用程序的开发有很大的区别，这些差别导致了编写Linux设备驱动程序与编写应用程序的本质区别。

1.用户态和内核态

Linux操作系统分为用户态和内核态。内核态完成与硬件的交互，比如读写内存、将硬盘上的数据读取到内存等。驱动程序在底层与硬件交互，因此工作在内核态。用户态可以理解为上层的应用程序，可以是Java应用程序、Qt应用程序、Python应用程序等。Linux操作系统分成两种状态的原因是，即使用户态的应用程序出现异常，也不会导致操作系统崩溃，而这一切都归功于内核态对操作系统有很强大的保护能力。

另一方面，Linux操作系统分为两个状态的原因主要是为应用程序提供一个统一的计算机硬件抽象。工作在用户态的应用程序完全可以不考虑底层的硬件操作，这些操作由内核态程序来完成。而这些内核态程序大部分是设备驱动程序。应用程序可以在不了解硬件工作原理的情况下，很好地操作硬件设备，同时不会使硬件设备进入非法状态。　　

值得注意的是，用户态和内核态是可以互相转换的。每当应用程序执行系统调用或者被硬件中断挂起时，Linux操作系统都会从用户态切换到内核态;当系统调用完成或者中断处理完成后，操作系统会从内核态返回到用户态，继续执行应用程序。

制2.模块机制

模块是可以在运行时加入内核的代码，这是Linux一个很好地特性，这个特性可以使内核很容易得扩大或缩小，扩大内核可以增加内核的功能，缩小内核可以减少内核的大小。Linux内核支持多种模块，驱动程序就是其中最重要的一种，每一个模块由编译好的目标代码组成，使用insmod命令将模块加入正在运行的内核，使用rmmod命令将一个未使用的模块从内核删除。　　

模块在在内核启动时装载称为静态装载，在内核已经运行时装载称为动态装载。模块可以扩充内核所期望的任何功能，但通常用于实现设备驱动程序。

一个模块的最基本框架代码如下：

Linux

3.总线、设备、驱动

想要驾驭Linux驱动开发，必须深刻理解Linux总线设备驱动框架。之所以会形成这样的框架，主要是为了代码的可重用性，因为驱动和设备的关系是一对多的。正如主设备号和次设备号之分，主设备号表示驱动程序，次设备号表示具体的设备。　　

另外是为了提高驱动的可移植性，Linux把驱动要用到的资源(如GPIO和中断等)剥离给设备去管理。即在设备里面包含其自己的设备属性，还包括了其连接到SOC所用到的资源。而驱动重点关注操作的流程和方法。　　

总线的作用则是在软件层面对设备和驱动进行管理。设备要让系统感知自己的存在，设备需要向总线注册自己;同样地，驱动要让系统感知自己的存在，也需要向总线注册自己。设备和总线在初始化时必须要明确自己是哪种总线的。因此，为了达到操作一致性，Linux发明了一种虚拟的总线，称为Platform总线。　　

多个设备和多个驱动都注册到同一个总线上，那设备怎么找到最适合自己的驱动呢，或者说驱动怎么找到其所支持的设备呢?这个也是由总线负责，总线就像是一个红娘，负责在设备和驱动中牵线。设备会向总线提出自己对驱动的条件(最简单的也是最精确的就是指定对方的名字了)，而驱动也会向总线告知自己能够支持的设备的条件(一般是型号ID等，最简单的也可以是设备的名字)。

设备在注册的时候，总线就会遍历注册在它上面的驱动，找到最适合这个设备的驱动，然后填入设备的结构成员中;驱动注册的时候，总线也会遍历注册在其之上的设备，找到其支持的设备(可以是多个，驱动和设备的关系是1:N)，并将设备填入驱动的支持列表中。我们称总线这个牵线的行为是match。牵好线之后，设备和驱动之间的交互红娘可不管了。

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