1. Linux设备驱动编程概述
Linux设备驱动编程是指编写用于控制和操作硬件设备的软件程序，使其与Linux操作系统进行交互。驱动程序是操作系统与硬件之间的接口，负责将高级操作系统的指令翻译为硬件理解的指令，从而实现对硬件设备的控制和访问。
2. 设备驱动编程的指导原理
2.1 字符设备驱动
字符设备驱动是一种用于对字符设备进行操作的驱动程序。字符设备是指以字符单位进行读写的设备，如键盘、鼠标等。在Linux中，字符设备驱动程序是通过实现一组特定的函数来提供对字符设备的操作。
在编写字符设备驱动程序时，需要实现以下关键函数：
probe函数：用于在驱动程序加载时进行设备的初始化和注册。
read函数：用于读取字符设备的数据。
write函数：用于向字符设备写入数据。
static int my_driver_probe(struct platform_device *pdev)
{
// 设备初始化和注册的代码
...
return 0;
}
static ssize_t my_driver_read(struct file *file, char __user *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
// 读取字符设备数据的代码
...
return bytes_read;
}
static ssize_t my_driver_write(struct file *file, const char __user *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
// 写入字符设备数据的代码
...
return bytes_written;
}
2.2 块设备驱动
块设备驱动是一种用于对块设备进行操作的驱动程序。块设备是指以块（如磁盘扇区）为单位进行读写的设备，如硬盘驱动器等。块设备驱动程序是通过实现一组特定的函数来提供对块设备的操作。
在编写块设备驱动程序时，需要实现以下关键函数：
probe函数：用于在驱动程序加载时进行设备的初始化和注册。
request函数：用于请求块设备的数据。
end_request函数：用于对操作完成的块设备进行处理。
static int my_driver_probe(struct platform_device *pdev)
{
// 设备初始化和注册的代码
...
return 0;
}
static void my_driver_request(struct request_queue *q)
{
// 请求块设备数据的代码
...
}
static void my_driver_end_request(struct request *req, int error)
{
// 对操作完成的块设备进行处理的代码
...
}
3. 设备驱动编程的实践
3.1 设备树绑定
设备树是一种描述硬件设备及其与操作系统之间关系的数据结构。在Linux设备驱动编程中，设备树被广泛使用来定义和配置设备驱动程序的参数。
在设备树中，需要定义设备的类型、名称、寄存器地址等信息。设备树编译器（dtc）将设备树源文件编译成设备树二进制文件（.dtb），设备驱动程序可以通过设备树框架读取设备树，获得设备的配置信息。
3.2 字符设备驱动实例
下面以一个简单的字符设备驱动实例来说明设备驱动编程的实践。
首先，需要创建一个字符设备驱动的源文件my_driver.c，并实现probe、read和write函数：
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#define DEVICE_NAME "my_driver"
#define BUF_SIZE 256
static int Major;
static char msg[BUF_SIZE];
static int msg_len;
static int my_driver_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
// 打开设备的代码
...
return 0;
}
static int my_driver_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
return 0;
}
static ssize_t my_driver_read(struct file *file, char __user *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
int bytes_read = 0;
// 读取字符设备数据的代码
...
return bytes_read;
}
static ssize_t my_driver_write(struct file *file, const char __user *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
int bytes_written = 0;
// 写入字符设备数据的代码
...
return bytes_written;
}
static struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = my_driver_open,
.release = my_driver_release,
.read = my_driver_read,
.write = my_driver_write,
};
static int __init my_driver_init(void)
{
Major = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
if (Major < 0) {
printk(KERN_ALERT "Failed to register character device.\n");
return Major;
}
printk(KERN_INFO "Device registered with major number %d.\n", Major);
return 0;
}
static void __exit my_driver_exit(void)
{
unregister_chrdev(Major, DEVICE_NAME);
printk(KERN_INFO "Device unregistered.\n");
}
module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
在上述示例代码中，我们定义了一个名为my_driver的字符设备驱动，实现了open、release、read和write等函数。驱动程序使用register_chrdev函数来注册字符设备，并设置相关操作的回调函数。
3.3 块设备驱动实例
接下来以一个简单的块设备驱动实例来说明设备驱动编程的实践。
首先，我们需要创建一个块设备驱动的源文件my_block_driver.c，并实现probe、request和end_request函数：
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/genhd.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#define DEVICE_NAME "my_block_driver"
#define SECTOR_SIZE 512
#define NUM_SECTORS 1024
static struct request_queue *queue;
static struct gendisk *disk;
static char *data;
static int my_driver_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode)
{
// 打开块设备的代码
...
return 0;
}
static void my_driver_release(struct gendisk *disk, fmode_t mode)
{
// 释放块设备资源的代码
...
}
static struct block_device_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = my_driver_open,
.release = my_driver_release,
};
static int __init my_driver_init(void)
{
int ret;
data = vmalloc(NUM_SECTORS * SECTOR_SIZE);
if (!data) {
printk(KERN_ALERT "Failed to allocate memory for block device.\n");
return -ENOMEM;
}
queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
if (!queue) {
vfree(data);
return -ENOMEM;
}
blk_queue_physical_block_size(queue, SECTOR_SIZE);
blk_queue_logical_block_size(queue, SECTOR_SIZE);
disk = alloc_disk(1);
if (!disk) {
blk_cleanup_queue(queue);
vfree(data);
return -ENOMEM;
}
strcpy(disk->disk_name, DEVICE_NAME);
disk->major = 0;
disk->first_minor = 0;
disk->fops = &fops;
disk->queue = queue;
set_capacity(disk, NUM_SECTORS);
add_disk(disk);
ret = register_blkdev(0, DEVICE_NAME);
if (ret < 0) {
del_gendisk(disk);
put_disk(disk);
blk_cleanup_queue(queue);
vfree(data);
return ret;
}
printk(KERN_INFO "Block device registered.\n");
return 0;
}
static void __exit my_driver_exit(void)
{
unregister_blkdev(0, DEVICE_NAME);
del_gendisk(disk);
put_disk(disk);
blk_cleanup_queue(queue);
vfree(data);
printk(KERN_INFO "Block device unregistered.\n");
}
module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
在上述示例代码中，我们定义了一个名为my_block_driver的块设备驱动，实现了open、release等函数。驱动程序使用blk_alloc_queue函数来分配请求队列，并通过alloc_disk函数创建磁盘对象。最后，使用register_blkdev函数注册块设备，并将磁盘对象添加到系统中。
4. 总结
本文介绍了Linux设备驱动编程的基本原理和实践，包括字符设备驱动和块设备驱动的编写步骤和关键函数。通过示例代码，展示了如何编写一个简单的字符设备驱动和块设备驱动，并使用设备树进行驱动程序的配置。希望本文对于理解Linux设备驱动编程有所帮助。