設備驅動充當了硬件和應用軟件之間的紐帶，它使得應用軟件只需要調用系統軟件的應用編程接口（API）就可讓硬件去完成要求的工作。本文主要講解了Linux設備驅動與硬件的關系，Linux設備驅動的開發模式以及內核中相關的重要基礎數據結構。

設備驅動與硬件的關系

對設備驅動最通俗的解釋就是“驅使硬件設備行動”。驅動與底層硬件直接打交道，按照硬件設備的具體工作方式，讀寫設備的寄存器，完成設備的輪詢、中斷處理、 DMA 通信，進行物理內存向虛擬內存的映射等，最終讓通信設備能收發數據，讓顯示設備能顯示文字和畫面，讓存儲設備能記錄文件和數據。

設備分類

Linux對將外設分為3類:

字符設備

字符設備指那些必須以串行順序依次進行訪問的設備，如觸摸屏、磁帶驅動器、鼠標等。

塊設備

塊設備可以用任意順序進行訪問，以塊為單位進行操作，如硬盤、軟驅等。

網絡設備

網絡設備面向數據包的接收和發送而設計，它并不對應于文件系統的節點。

總體框圖

機制與策略

機制強調“提供什么能力”，而策略旨在“如何使用這些能力”。因此驅動開發需要遵守的是驅動程序的角色是提供機制, 而不是策略。
編寫內核代碼來存取硬件, 但是不能強加特別的策略給用戶, 因為不同的用戶有不同的需求。驅動應當做到使硬件可用, 將所有關于如何使用硬件的事情留給應用程序。

內核模塊

Linux 提供了一種代碼動態地加載到內核中機制，這種機制被稱為模塊（Module）。具有如下特點：

模塊本身不被編譯入內核映像， 從而控制了內核的大小。

模塊一旦被加載，它就和內核中的其他部分完全一樣。

可動態加載與移除，不需重啟系統，節約開發時間。

模塊放在用戶空間，這部分代碼可以不開源。

因此驅動多數情況以內核模塊的形式加載到內核。

組成

一個 Linux 內核模塊主要由如下幾個部分組成:

模塊加載函數（一般需要）

當通過 insmod 或 modprobe 命令加載內核模塊時，模塊的加載函數會自動被內核執行，完成本模塊的相關初始化工作。static int __init initialization_function(void){ /* 初始化代碼 */}module_init(initialization_function);

模塊卸載函數（一般需要）

當通過 rmmod 命令卸載某模塊時，模塊的卸載函數會自動被內核執行，完成與模塊卸載函數相反的功能。static void __exit cleanup_function(void){ /* 釋放代碼 */}module_exit(cleanup_function);

模塊許可證聲明（必須）

許可證（ LICENSE）聲明描述內核模塊的許可權限，如果不聲明 LICENSE，模塊被加載時，將收到內核被污染 （ kernel tainted）的警告。在 Linux 2.6 內核中，可接受的 LICENSE 包括“ GPL”、“ GPL v2”、“ GPL and additional rights”、“ Dual BSD/GPL”、“ Dual MPL/GPL” 和“ Proprietary”。

模塊參數（可選）

模塊參數是模塊被加載的時候可以被傳遞給它的值，它本身對應模塊內部的全局變量。module_param(參數名,參數類型,參數讀/寫權限);module_param_array(數組名,數組類型,數組長,參數讀/寫權限);

模塊導出符號（可選）

內核模塊可以導出符號（ symbol，對應于函數或變量），這樣其他模塊可以使用本模塊中的變量或函數。EXPORT_SYMBOL(符號名);EXPORT_SYMBOL_GPL(符號名);

模塊作者等信息聲明（可選）

MODULE_AUTHOR(author);MODULE_DESCRIPTION(description);MODULE_VERSION(version_string);MODULE_DEVICE_TABLE(table_info);MODULE_ALIAS(alternate_name);

編譯

# Makefile2.6TARGET = demo_moduleifneq ($(KERNELRELEASE),)#kbuild syntax. dependency relationshsip of files and target modules are listed here.obj-m := $(TARGET).o else# build from shell directly not in kernel rootCURDIR = $(shell pwd)KVER := $(shell uname -r)KDIR := /lib/modules/$(KVER)/buildall: $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURDIR) modulesclean: $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(CURDIR) cleaninsert: sudo insmod $(TARGET).koremove: sudo rmmod $(TARGET)endif

重要的數據結構

大部分的基礎性的驅動操作包括3個重要的內核數據結構, 稱為 file_operations, file, 和 inode。

file_operations

file_operations 結構體中的成員函數是設備驅動程序設計的主體內容，這些函數實際會在應用程序進行 Linux 的 open()、 write()、 read()、 close()等系統調用時最終被調用。

struct file_operations { struct module *owner; /* 擁有該結構的模塊的指針，一般為 THIS_MODULES */ loff_t(*llseek)(struct file *, loff_t, int); /* 用來修改文件當前的讀寫位置 */ ssize_t(*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t*); /* 從設備中同步讀取數據 */ ssize_t(*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t*); /* 向設備發送數據*/ ssize_t(*aio_read)(struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t); /* 初始化一個異步的讀取操作*/ ssize_t(*aio_write)(struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t); /* 初始化一個異步的寫入操作*/ int(*readdir)(struct file *, void *, filldir_t); /* 僅用于讀取目錄，對于設備文件，該字段為 NULL */ unsigned int(*poll)(struct file *, struct poll_table_struct*); /* 輪詢函數，判斷目前是否可以進行非阻塞的讀取或寫入*/ int(*ioctl)(struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); /* 執行設備 I/O 控制命令*/ long(*unlocked_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long); /* 不使用 BLK 的文件系統，將使用此種函數指針代替 ioctl */ long(*compat_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long); /* 在 64 位系統上， 32 位的 ioctl 調用，將使用此函數指針代替*/ int(*mmap)(struct file *, struct vm_area_struct*); /* 用于請求將設備內存映射 int(*open)(struct inode *, struct file*); /* 打開 */ int(*release)(struct inode *, struct file*); /* 關閉*/ int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); /* 刷新待處理的數據*/ int(*aio_fsync)(struct kiocb *, int datasync); /* 異步 fsync */ int(*fasync)(int, struct file *, int); /* 通知設備 FASYNC 標志發生變化*/ ...};

file

file 結構體代表一個打開的文件（設備對應于設備文件），系統中每個打開的文件在內核空間都有一個關聯的 struct file。它由內核在打開文件時創建，并傳遞給在文件上進行操作的任何函數。在文件的所有實例都關閉后，內核釋放這個數據結構。

struct file { const struct file_operations *f_op; /* 和文件關聯的操作*/ unsigned int f_flags; /*文件標志，如 O_RDONLY、 O_NONBLOCK、 O_SYNC*/ fmode_t f_mode; /*文件讀/寫模式， FMODE_READ 和 FMODE_WRITE*/ loff_t f_pos; /* 當前讀寫位置*/ void *private_data; /*文件私有數據,可存儲自定義數據的指針*/ ...};

inode

VFS inode 包含文件訪問權限、屬主、組、大小、生成時間、訪問時間、最后修改時間等信息。它是 Linux 管理文件系統的最基本單位，也是文件系統連接任何子目錄、文件的橋梁。

struct inode { umode_t i_mode; /* inode 的權限 */ uid_t i_uid; /* inode 擁有者的 id */ gid_t i_gid; /* inode 所屬的群組 id */ dev_t i_rdev; /* 若是設備文件，此字段將記錄設備的設備號 */ loff_t i_size; /* inode 所代表的文件大小 */ struct timespec i_atime; /* inode 最近一次的存取時間 */ struct timespec i_mtime; /* inode 最近一次的修改時間 */ struct timespec i_ctime; /* inode 的產生時間 */ unsigned long i_blksize; /* inode 在做 I/O 時的區塊大小 */ unsigned long i_blocks; /* inode 所使用的 block 數，一個 block 為 512 byte*/ struct block_device *i_bdev; /*若是塊設備，為其對應的 block_device 結構體指針*/ struct cdev *i_cdev; /*若是字符設備，為其對應的 cdev 結構體指針*/ ...};
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