Linux——内核——设备驱动

Linux设备驱动是操作系统与硬件之间的桥梁，它允许内核与硬件设备进行通信，管理硬件资源，并为上层应用提供标准化的接口。以下从基本概念、分类、架构、开发流程及关键机制等方面，系统梳理Linux设备驱动的核心知识：

一、设备驱动的基本概念

1. 作用
   • 抽象硬件细节：将硬件操作封装为标准接口（如open()、read()、write()），使应用无需直接操作寄存器。
   • 资源管理：分配/释放硬件资源（如内存、I/O端口、中断号），避免冲突。
   • 硬件通信：通过总线接口（如PCI、I2C、SPI）与设备交互，发送命令并接收数据。
2. 与内核的关系
   • 设备驱动是内核的一部分，以模块形式动态加载（.ko文件）或静态编译进内核。
   • 通过file_operations结构体向内核注册操作函数，实现系统调用（如sys_open()、sys_read()）的底层支持。

二、设备驱动的分类

Linux将设备分为三类，对应不同的驱动实现方式：

设备类型	特点	典型设备
字符设备	以字节流形式访问，无缓存，支持顺序读写（如键盘、串口、LED）。	键盘、串口、LCD显示屏
块设备	以固定大小块（通常512B或4KB）为单位访问，支持随机读写（如硬盘、SSD）。	硬盘、U盘、NAND Flash
网络设备	通过数据包（如以太网帧）传输数据，不对应/dev目录下的文件。	网卡、Wi-Fi模块、蓝牙适配器

三、设备驱动的架构

1. 核心组件
   • 设备注册：通过register_chrdev()或register_blkdev()向内核声明设备，绑定主设备号。
   • 设备文件：字符/块设备在/dev目录下生成设备文件（如/dev/sda1），应用通过文件操作访问硬件。
   • 中断处理：注册中断服务例程（ISR），响应硬件事件（如按键按下、数据接收完成）。
2. 数据结构
   • struct file_operations：定义设备的操作接口（如open()、read()、ioctl()）。
   • struct cdev：描述字符设备的属性，关联file_operations。
   • struct block_device_operations：块设备操作接口（如submit_bio()）。
3. 分层模型
   • 应用层：通过系统调用（如open("/dev/mydev", O_RDWR)）访问设备。
   • VFS层：虚拟文件系统统一设备访问接口，调用对应驱动的file_operations。
   • 驱动层：实现硬件操作，处理中断，管理资源。
   • 硬件层：通过总线（如PCIe、USB）与设备通信。

四、设备驱动的开发流程

1. 编写驱动代码
   • 定义file_operations结构体，实现核心函数（如mydev_open()、mydev_read()）。
   • 示例（字符设备）：

     c

     static struct file_operations fops = {

     .owner = THIS_MODULE,

     .open = mydev_open,

     .read = mydev_read,

     .write = mydev_write,

     .release = mydev_release,

     };

2. 注册设备
   • 动态分配主设备号：

     c

     int major = register_chrdev(0, "mydev", &fops); // 0表示动态分配

   • 创建设备节点（需udev或mknod）：

     bash

     mknod /dev/mydev c 0

3. 编译与加载
   • 编写Makefile，使用make编译生成.ko模块。
   • 加载驱动：

     bash

     insmod mydev.ko

   • 卸载驱动：

     bash

     rmmod mydev

4. 调试与测试
   • 查看内核日志：

     bash

     dmesg | tail

   • 使用strace跟踪系统调用：

     bash

     strace cat /dev/mydev

五、关键机制解析

1. 系统调用与内核态切换
   • 应用调用open()时，触发软中断（如int 0x80），从用户态切换到内核态，执行驱动的open()函数。
2. 中断处理
   • 注册中断：

     c

     request_irq(IRQ_NUM, my_irq_handler, IRQF_SHARED, "mydev", dev);

   • 中断服务例程需快速执行，复杂任务通过工作队列（workqueue）延迟处理。
3. 同步与并发
   • 使用自旋锁（spin_lock）或互斥锁（mutex）保护共享资源。
   • 阻塞I/O：通过wait_queue实现，当设备忙时挂起进程。
4. 内存管理
   • 分配内核内存：kmalloc()（物理连续）或vmalloc()（虚拟连续）。
   • DMA缓冲：使用dma_alloc_coherent()分配连续物理内存。

六、进阶主题

1. 设备树（Device Tree）
   • 用于描述硬件配置（如CPU、内存、外设），分离驱动与硬件细节，提升可移植性。
2. 平台驱动（Platform Driver）
   • 针对嵌入式系统，抽象总线、设备和驱动的匹配过程，简化开发。
3. 网络设备驱动
   • 基于net_device结构体，实现数据包收发（如ndo_start_xmit()）。
4. 性能优化
   • 使用零拷贝（Zero-Copy）技术减少数据拷贝。
   • 优化中断处理（如NAPI、多队列网卡）。