Linux设备驱动：硬件与内核的对话艺术

Linux设备驱动：硬件与内核的对话艺术

连接物理世界与数字世界的桥梁

引言：操作系统的"硬件翻译官"

当你按下键盘按键时，电信号穿越多个抽象层最终变成应用程序可读的字符，这场精密转换的幕后英雄正是设备驱动程序。Linux设备驱动系统堪称内核中最复杂的子系统之一，管理着从微控制器到超级计算机的各种硬件。本章将深入Linux 6.x驱动模型，揭示其如何实现硬件抽象、电源管理和性能优化的工程艺术。

核心问题驱动：

• 内核如何动态匹配设备与驱动？
• 中断处理为何分为顶半部和底半部？
• DMA如何实现真正的零拷贝传输？
• 电源管理如何节省20%能耗？
• 如何用300行代码点亮PCIe设备？

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一、内核设备模型：总线、设备、驱动的三角关系

1.1 设备模型核心结构

总线 bus_type

设备 device

驱动 driver

1.2 关键数据结构解析

1.2.1 总线类型（bus_type）

// include/linux/device/bus.h
struct bus_type {
   
    const char      *name;               // 总线名称（如"pci"）
    int             (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv); // 匹配函数
    int             (*probe)(struct device *dev); // 探测设备
    int             (*remove)(struct device *dev); // 移除设备
    struct subsys_private *p;            // 私有数据
};

1.2.2 设备（device）

struct device {
   
    struct device       *parent;          // 父设备