深刻理解Linux總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架，才能駕馭Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)

Linux驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)與應(yīng)用程序的開發(fā)有很大的區(qū)別，這些差別導(dǎo)致了編寫Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與編寫應(yīng)用程序的本質(zhì)區(qū)別。

一、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)

Linux操作系統(tǒng)分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。內(nèi)核態(tài)完成與硬件的交互，比如讀寫內(nèi)存、將硬盤上的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存等。驅(qū)動(dòng)程序在底層與硬件交互，因此工作在內(nèi)核態(tài)。用戶態(tài)可以理解為上層的應(yīng)用程序，可以是Java應(yīng)用程序、Qt應(yīng)用程序、Python應(yīng)用程序等。Linux操作系統(tǒng)分成兩種狀態(tài)的原因是，即使用戶態(tài)的應(yīng)用程序出現(xiàn)異常，也不會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)崩潰，而這一切都?xì)w功于內(nèi)核態(tài)對(duì)操作系統(tǒng)有很強(qiáng)大的保護(hù)能力。

另一方面，Linux操作系統(tǒng)分為兩個(gè)狀態(tài)的原因主要是為應(yīng)用程序提供一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)硬件抽象。工作在用戶態(tài)的應(yīng)用程序完全可以不考慮底層的硬件操作，這些操作由內(nèi)核態(tài)程序來完成。而這些內(nèi)核態(tài)程序大部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用程序可以在不了解硬件工作原理的情況下，很好地操作硬件設(shè)備，同時(shí)不會(huì)使硬件設(shè)備進(jìn)入非法狀態(tài)。 　　 值得注意的是，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)是可以互相轉(zhuǎn)換的。每當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用或者被硬件中斷掛起時(shí)，Linux操作系統(tǒng)都會(huì)從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài);當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用完成或者中斷處理完成后，操作系統(tǒng)會(huì)從內(nèi)核態(tài)返回到用戶態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行應(yīng)用程序。

二、模塊機(jī)制

模塊是可以在運(yùn)行時(shí)加入內(nèi)核的代碼，這是Linux一個(gè)很好地特性，這個(gè)特性可以使內(nèi)核很容易得擴(kuò)大或縮小，擴(kuò)大內(nèi)核可以增加內(nèi)核的功能，縮小內(nèi)核可以減少內(nèi)核的大小。Linux內(nèi)核支持多種模塊，驅(qū)動(dòng)程序就是其中最重要的一種，每一個(gè)模塊由編譯好的目標(biāo)代碼組成，使用insmod命令將模塊加入正在運(yùn)行的內(nèi)核，使用rmmod命令將一個(gè)未使用的模塊從內(nèi)核刪除。 　　 模塊在在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)裝載稱為靜態(tài)裝載，在內(nèi)核已經(jīng)運(yùn)行時(shí)裝載稱為動(dòng)態(tài)裝載。模塊可以擴(kuò)充內(nèi)核所期望的任何功能，但通常用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 　　 一個(gè)模塊的最基本框架代碼如下：

三、總線，設(shè)備，驅(qū)動(dòng)

想要駕馭Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)，必須深刻理解Linux總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架。之所以會(huì)形成這樣的框架，主要是為了代碼的可重用性，因?yàn)轵?qū)動(dòng)和設(shè)備的關(guān)系是一對(duì)多的。正如主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)之分，主設(shè)備號(hào)表示驅(qū)動(dòng)程序，次設(shè)備號(hào)表示具體的設(shè)備。 　　 另外是為了提高驅(qū)動(dòng)的可移植性，Linux把驅(qū)動(dòng)要用到的資源(如GPIO和中斷等)剝離給設(shè)備去管理。即在設(shè)備里面包含其自己的設(shè)備屬性，還包括了其連接到SOC所用到的資源。而驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)關(guān)注操作的流程和方法。 　　 總線的作用則是在軟件層面對(duì)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行管理。設(shè)備要讓系統(tǒng)感知自己的存在，設(shè)備需要向總線注冊(cè)自己;同樣地，驅(qū)動(dòng)要讓系統(tǒng)感知自己的存在，也需要向總線注冊(cè)自己。設(shè)備和總線在初始化時(shí)必須要明確自己是哪種總線的。因此，為了達(dá)到操作一致性，Linux發(fā)明了一種虛擬的總線，稱為Platform總線。 　　 多個(gè)設(shè)備和多個(gè)驅(qū)動(dòng)都注冊(cè)到同一個(gè)總線上，那設(shè)備怎么找到最適合自己的驅(qū)動(dòng)呢，或者說驅(qū)動(dòng)怎么找到其所支持的設(shè)備呢?這個(gè)也是由總線負(fù)責(zé)，總線就像是一個(gè)紅娘，負(fù)責(zé)在設(shè)備和驅(qū)動(dòng)中牽線。設(shè)備會(huì)向總線提出自己對(duì)驅(qū)動(dòng)的條件(最簡(jiǎn)單的也是最精確的就是指定對(duì)方的名字了)，而驅(qū)動(dòng)也會(huì)向總線告知自己能夠支持的設(shè)備的條件(一般是型號(hào)ID等，最簡(jiǎn)單的也可以是設(shè)備的名字)。那設(shè)備在注冊(cè)的時(shí)候，總線就會(huì)遍歷注冊(cè)在它上面的驅(qū)動(dòng)，找到最適合這個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，然后填入設(shè)備的結(jié)構(gòu)成員中;驅(qū)動(dòng)注冊(cè)的時(shí)候，總線也會(huì)遍歷注冊(cè)在其之上的設(shè)備，找到其支持的設(shè)備(可以是多個(gè)，驅(qū)動(dòng)和設(shè)備的關(guān)系是1:N)，并將設(shè)備填入驅(qū)動(dòng)的支持列表中。我們稱總線這個(gè)牽線的行為是match。牽好線之后，設(shè)備和驅(qū)動(dòng)之間的交互紅娘可不管了。