【Linux】驱动

发布时间：2023年12月20日

驱动
驱动程序过程
系统调用
用户空间
内核空间
添加驱动和调用驱动
驱动程序是如何调用设备硬件

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驱动

在计算机领域，驱动（Driver）是一种软件，它充当硬件设备与操作系统之间的桥梁，允许它们进行通信和协同工作。驱动程序的主要功能是向操作系统提供一种标准化的接口，使得操作系统可以与硬件设备进行交互，而无需了解设备的具体实现细节。

具体而言，驱动程序通常包括以下方面的功能：

  1. 设备控制： 驱动程序负责向硬件设备发送命令和控制信息，以执行特定的操作，如读取数据、写入数据、初始化设备等。

  2. 中断处理： 驱动程序能够处理硬件设备生成的中断信号，从而及时响应设备状态的变化。

  3. 资源管理： 驱动程序管理设备所需的资源，如内存、输入输出端口等，以确保不同设备之间的资源冲突得到解决。

  4. 提供接口： 驱动程序通过向操作系统提供标准接口，使得应用程序能够通过操作系统来访问和控制硬件设备。

  5. 与操作系统交互： 驱动程序与操作系统内核进行交互，通过系统调用、中断服务例程等机制实现与操作系统的协同工作。

驱动程序在操作系统层次结构中处于内核空间，与硬件直接交互。不同操作系统有不同的驱动程序模型，例如在Linux系统中，驱动程序通常作为内核模块加载，而在Windows系统中，驱动程序以.sys文件的形式存在。

总的来说，驱动程序是连接操作系统和硬件设备之间的软件层，使得它们能够协同工作，实现计算机系统的各种功能。

驱动程序过程

驱动程序的运行流程涉及到多个层次，从用户空间到内核态，再到硬件层。
用户空间的应用程序、内核空间的系统调用、VFS、设备驱动程序以及硬件层的交互。
下面是一个简要的概述：

用户空间

  1. 应用程序： 用户编写的应用程序需要访问文件或设备。

  2. C库（libc）： 应用程序通过C库中的函数（例如 open、read、write）来实现文件和设备的访问。

  3. 系统调用： C库中的函数最终会导致系统调用。这个过程通常包括：

    • 应用程序通过C库函数调用触发相应的系统调用，如 open。
    • C库中的系统调用包装器将参数放入寄存器中，触发软中断。

  4. 软中断： 触发软中断时，操作系统会切换到内核态执行中断服务例程。在 x86 架构中，通过 int 0x80 指令触发软中断，中断号为 0x80。

内核空间

  1. 中断服务例程： 操作系统中断服务例程处理软中断，执行相应的系统调用服务例程。对于 int 0x80，会执行相应的中断服务例程。

  2. 系统调用服务例程： 系统调用服务例程根据中断号调用相应的系统调用处理函数。例如，0x80 对应于 sys_call，这是一个中央的系统调用处理函数。

  3. VFS（虚拟文件系统）： 在系统调用中，VFS提供了对文件系统的抽象。例如，对于 open 系统调用，VFS将根据路径名找到相应的文件系统，然后调用该文件系统的 open 函数。

  4. sys_open： 在 VFS 中，sys_open 是 open 系统调用的具体实现。它会检查设备名和路径，并通过文件系统的驱动程序找到相应的文件。

设备层

  1. 设备驱动程序： 当 VFS 需要访问硬件设备时，它会调用相应设备文件对应的设备驱动程序。

    • 设备驱动程序负责管理硬件设备的底层细节，如与设备的通信、中断处理等。
    • 驱动程序通过与硬件设备的接口进行交互，执行读写等操作。

  2. 硬件层： 驱动程序与硬件层进行通信，实现对硬件设备的具体控制。

整个过程中，VFS起到了一个桥梁的作用，使得用户空间应用程序无需关心底层硬件和文件系统的细节。具体的系统调用、VFS、设备驱动程序的实现会依赖于操作系统和硬件平台。
驱动程序的编写涉及到内核模块的开发，需要熟悉设备文件、系统调用、VFS等相关概念和接口。

系统调用

系统调用是操作系统提供给用户程序或软件的一组接口，用于访问操作系统的服务和资源。通过系统调用，用户程序可以请求操作系统执行特权指令、访问硬件设备、进行文件操作等。

在 Linux 中，系统调用是用户程序与内核之间的接口，用于执行一些只有内核才能执行的特权操作。以下是一些常见的 Linux 系统调用：

  1. open: 用于打开文件，返回文件描述符。

  2. close: 用于关闭文件。

  3. read: 用于从文件中读取数据。

  4. write: 用于向文件中写入数据。

  5. ioctl: 用于设备的控制操作。

  6. fork: 用于创建新的进程。

  7. exec: 用于加载新的程序到当前进程中。

  8. exit: 用于退出当前进程。

  9. kill: 用于向进程发送信号。

  10. wait: 用于等待子进程退出。

  11. stat: 用于获取文件状态信息。

  12. mmap: 用于在进程的地址空间中映射文件或设备。

这些系统调用是通过中断（软中断）来实现的。当用户程序执行系统调用时，会触发一个软中断，将控制权转移到内核态，内核会根据系统调用号来执行相应的功能。系统调用提供了一种用户程序与内核之间的标准接口，使用户程序能够安全而受控地访问底层操作系统的功能。

在 C 语言中，可以使用 syscall 函数或者直接调用包装好的库函数来进行系统调用。例如，open 系统调用可以通过 open 函数在 C 语言中调用。

用户空间

用户空间（User Space）是指操作系统中划分给用户进程运行的地址空间部分。在计算机系统中，操作系统内核和用户应用程序是两个主要的运行空间，它们各自拥有独立的内存空间。

以下是用户空间的一些关键特点和组成部分：

  1. 地址空间： 用户空间是指分配给用户进程的地址范围，通常从0开始，到系统的最大地址。在32位系统中，用户空间通常从0到4GB，而在64位系统中，用户空间范围更大。

  2. 用户进程： 所有运行在用户空间的应用程序都是用户进程的一部分。这些进程通过系统调用等方式与操作系统进行通信，请求服务或执行特权操作。

  3. 用户程序： 用户空间包含了用户程序的执行代码、数据段和堆栈。用户程序是用户进程的核心，它们通过调用系统提供的服务来执行特定的任务。

  4. 动态链接库： 用户空间中还包含了一些动态链接库（Dynamic Link Libraries，DLL）或共享库，这些库包含了一些通用的功能和程序模块，可以被多个应用程序共享使用，减少了代码冗余。

  5. 进程间通信（IPC）： 不同的用户进程之间需要进行通信，而用户空间提供了各种IPC机制，例如管道、消息队列、共享内存等，以实现进程之间的数据交换。

  6. 文件系统： 用户进程通常需要访问文件系统中的文件，用户空间提供了对文件系统的访问接口，使得用户程序可以读写文件。

  7. 系统调用： 为了执行一些特权操作，用户进程需要通过系统调用（System Call）请求操作系统的协助。系统调用是用户空间与内核空间之间的桥梁，允许用户程序访问底层操作系统服务。

  8. 安全性： 用户空间的进程受到操作系统的保护，各个进程之间相互隔离，一个进程无法直接访问另一个进程的内存空间。

总体而言，用户空间是用户程序运行的环境，提供了访问系统资源的接口，使得应用程序能够在计算机系统中执行各种任务。操作系统通过对用户空间的管理和保护，确保系统的稳定性、安全性和可维护性。

内核空间

内核空间（Kernel Space）是操作系统中的一个重要部分，用于执行操作系统内核的代码和管理系统资源。与用户空间相对，内核空间拥有更高的权限和更广泛的系统访问权限。以下是内核空间的一些关键方面：

  1. 设备驱动： 内核空间包含设备驱动程序，用于与硬件设备进行通信。设备驱动允许内核控制和管理与计算机系统连接的各种外部设备，例如磁盘驱动器、网卡、显卡等。

  2. 内存管理： 内核负责系统内存的管理，包括内存分配、释放、虚拟内存管理、页表维护等。它确保不同进程之间不会互相干扰，同时有效地利用系统的物理内存。

  3. 进程和线程管理： 内核负责创建、终止和调度进程和线程。它管理进程的状态、优先级、调度顺序等，确保系统中的多个任务能够协调运行。

  4. 系统调用： 内核提供了系统调用接口，允许用户空间的程序请求内核执行特权操作。这些系统调用涉及文件操作、进程控制、网络通信等，是用户程序与内核之间的桥梁。

  5. 文件系统： 内核管理文件系统，包括文件的创建、删除、读取、写入等操作。它确保文件系统的一致性和安全性，并提供对文件和目录的访问权限控制。

  6. 网络协议栈： 内核中包含网络协议栈，负责处理网络通信。它管理网络连接、数据包传输、协议处理等，为用户空间提供网络服务。

  7. 中断处理： 内核负责处理硬件和软件引发的中断。中断是一种异步事件，可能来自硬件设备、时钟等。内核必须能够适时地响应中断，执行相应的中断处理程序。

  8. 锁和同步： 内核提供了各种同步机制，如锁、信号量等，以确保多个进程或线程之间的互斥和同步。

  9. 安全性： 内核对系统的安全性负有重要责任，包括对用户空间的访问权限、系统资源的保护、防止恶意代码执行等。

总体而言，内核空间是操作系统的核心，负责管理和控制系统的各个方面，以确保系统能够高效、稳定、安全地运行。内核空间的代码运行在特权级别最高的CPU模式，能够执行一些用户空间不可执行的指令，具有更高的系统访问权限。

添加驱动和调用驱动

添加驱动和调用驱动是 Linux 系统中涉及设备驱动的两个主要方面。让我们更详细地看一下这两个步骤。

1. 添加驱动

在 Linux 中，添加设备驱动通常包括以下步骤：

编写完驱动程序：

  1. 实现设备驱动函数： 编写设备驱动函数，该函数定义了设备的各种操作，如读、写、控制等。

  2. 指定设备号： 在加载驱动时，需要为设备分配一个设备号，该设备号在驱动中使用。

  3. 操作寄存器来驱动 IO 口： 如果设备与 IO 口通信，需要编写代码来读写寄存器，与设备进行交互。

  4. 注册字符设备驱动： 在模块初始化中，通过 register_chrdev 等函数注册字符设备驱动。

操作寄存器来驱动 IO 口的例子：
// 读取寄存器
unsigned char read_register(unsigned int addr) {
    return inb(addr);
}

// 写入寄存器
void write_register(unsigned int addr, unsigned char value) {
    outb(value, addr);
}
注册字符设备驱动的例子：
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>

static dev_t device_number;
static struct cdev my_cdev;

// 在模块初始化中注册字符设备
static int __init my_module_init(void) {
    int err;

    // 分配设备号
    err = alloc_chrdev_region(&device_number, 0, 1, "my_device");
    if (err) {
        printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number\n");
        return err;
    }

    // 初始化字符设备
    cdev_init(&my_cdev, &fops);

    // 注册字符设备
    err = cdev_add(&my_cdev, device_number, 1);
    if (err) {
        printk(KERN_ERR "Failed to add character device\n");
        unregister_chrdev_region(device_number, 1);
        return err;
    }

    printk(KERN_INFO "Device registered successfully\n");
    return 0;
}

// 在模块卸载时注销字符设备
static void __exit my_module_exit(void) {
    cdev_del(&my_cdev);
    unregister_chrdev_region(device_number, 1);
    printk(KERN_INFO "Device unregistered\n");
}

2. 调用驱动

在用户空间调用设备驱动通常包括以下步骤：

  1. 打开设备文件： 使用 open 系统调用打开设备文件。

  2. 执行设备操作： 使用 read、write、ioctl 等系统调用执行设备操作。

  3. 关闭设备文件： 使用 close 系统调用关闭设备文件。

例子：
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/my_device", O_RDWR);

    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open device");
        return -1;
    }

    // Perform device operations using read, write, ioctl, etc.

    close(fd);

    return 0;
}

在这个例子中，/dev/my_device 是设备文件的路径，用户程序通过打开这个文件来与设备驱动进行通信。

总体而言，添加设备驱动和调用设备驱动是 Linux 设备驱动开发的两个基本方面，其中添加驱动需要编写内核模块代码，而调用驱动则是用户空间程序通过系统调用与设备驱动进行交互。

驱动程序是如何调用设备硬件

在 Linux 系统中，驱动程序通过实现一组特定的操作函数（如 read、write、ioctl 等）来与设备硬件进行交互。这些操作函数定义了用户空间程序与驱动程序之间的接口。当用户程序调用系统调用（如 open、read、write）时，这些调用最终会触发相应的设备操作函数，从而完成与硬件的通信。

让我们以字符设备为例，来说明驱动程序是如何调用设备硬件的：

  1. 打开设备文件： 用户空间程序通过 open 系统调用打开设备文件。在驱动中，open 操作会触发相应的操作函数 my_open。

    static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    // 打开设备时的操作，可以包括初始化硬件等
    return 0;
}

  2. 读写设备文件： 用户空间程序通过 read 和 write 等系统调用来进行读写操作。这些调用会触发相应的操作函数 my_read 和 my_write。

    static ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) {
    // 读取设备的操作，向用户空间传递数据
    return 0;
}

static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) {
    // 写入设备的操作，从用户空间接收数据
    return 0;
}

  3. 控制设备： 用户空间程序通过 ioctl 等系统调用来进行控制操作。这些调用会触发相应的操作函数 my_ioctl。

    static long my_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    // 控制设备的操作，可以包括配置硬件参数等
    return 0;
}

这些操作函数在设备的操作过程中，可以通过访问设备的寄存器、执行硬件指令等方式与硬件进行通信。驱动程序的实现要根据具体的硬件设备和需求而定。

总体而言，设备驱动程序通过实现操作函数，提供给用户空间的系统调用来与硬件设备进行通信。这种方式使得用户空间程序不需要了解底层硬件细节，而是通过抽象的接口与设备进行交互。

文章来源:https://blog.csdn.net/m0_62140641/article/details/135033215
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