本篇文章將介紹Linux設備驅動開發(fā)的基本知識，帶你快速撥開Linux驅動這團迷霧。文章分為如下3個小節(jié)進行講解:

1、設備驅動的概念和作用；

2、在無操作系統(tǒng)和有操作系統(tǒng)的情況下設備驅動的設計開發(fā)；

3、Linux設備驅動的重點、難點和學習方法。

文章最后會給出一個簡單的LED驅動在無操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)下的實現(xiàn)示例。

好，Let's go

1、設備驅動的概念和作用

大家都知道在Linux開發(fā)中是一個分層的思想，也就是說應用層、操作系統(tǒng)層、驅動層和硬件層分別獨立，然后為上一層提供API接口。對設備驅動通俗一點的解釋就是：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，讀寫其寄存器，完成設備輪詢、中斷處理和DMA通信等。設備驅動實際上充當了硬件和應用軟件之間的紐帶，在系統(tǒng)沒有操作系統(tǒng)的情況下工程師可以根據(jù)硬件設備的特點自行定義接口，如對串口定義SerialSend()、SerialReceive()，對繼電器定義RelayOn()、RelayOff()等。而在有操作系統(tǒng)的情況下，驅動的架構則由操作系統(tǒng)定義，因為驅動架構也屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，驅動工程師必須按照相應的架構設計驅動，這樣的話驅動才能融入操作系統(tǒng)內(nèi)核中，并正常運行。

2、在無操作系統(tǒng)和有操作系統(tǒng)的情況下設備驅動的設計開發(fā)

2.1、無操作系統(tǒng)的情況下

事實上，在許多情況下我們的程序也運行在無操作系統(tǒng)的環(huán)境中(裸機程序)，因為對于那些功能比較單一、控制并不復雜的系統(tǒng)不需要多任務調(diào)度和文件系統(tǒng)等復雜的功能，用單任務架構完全可以很好的實現(xiàn)我們的需求，也就是在一個無限循環(huán)(單片機編程中的while(1)死循環(huán))中夾雜著對設備中斷的檢測或者對設備的輪詢。這一部分的知識相信有過單片機編程經(jīng)驗的朋友一定非常熟悉了，下面是這種單任務軟件的架構：

主函數(shù)

在這樣的系統(tǒng)中，雖然不存在操作系統(tǒng)，但是設備驅動必須存在。一般情況下每一種設備驅動都會定義成一個軟件模塊，包含.c文件和.h文件。

2.2、有操作系統(tǒng)的情況下

當包含操作系統(tǒng)時，我們還需要將驅動融入內(nèi)核，為了實現(xiàn)這種融合，必須在所有設備的驅動中設計提供給操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口，這類接口由操作系統(tǒng)規(guī)定(這是一個復雜的過程，在后續(xù)更新的文章中會由淺及深的說明)。所以，存在操作系統(tǒng)的時候，驅動便成為了連接硬件和Linux內(nèi)核的橋梁。當設備成功注冊到系統(tǒng)中，也就是讓系統(tǒng)知道了我們需要使用的設備的存在之后，Linux會將設備映射到文件系統(tǒng)的文件和目錄中，然后通過系統(tǒng)調(diào)用的接口open()、write()、read()、close()等即可訪問我們的設備。

3、Linux設備驅動的重點、難點和學習方法

Linux設備驅動的學習是一項浩繁和長久的過程，其中包含了如下重點和難點：

1、編寫Linux設備驅動要求工程師有一定的硬件基礎；

2、編寫Linux設備驅動要求工程師有非常好的C語言基礎，能靈活的運用C語言的結構體、指針以及內(nèi)存動態(tài)申請和釋放等；

3、編寫Linux設備驅動要求工程師有一定的Linux內(nèi)核基礎，并不要求對內(nèi)核的各個部分有深入的研究，但至少我們要明白驅動程序與內(nèi)核的接口；

4、編寫Linux設備驅動要求工程師有多任務并發(fā)控制和同步的基礎，因為在驅動中會大量的使用自旋鎖、互斥、信號量和等待隊列等并發(fā)與同步機制。

看到這里，相信你已經(jīng)對Linux設備驅動有了基本的認識，首先我們要明白，Linux驅動程序是門檻最高難度最大的一部分，當然薪資也是相對最高的，所以只要我們掌握了方法堅持學習下去，一定可以撥開這團迷霧看見陽光。筆者會定期更新關于嵌入式Linux和C語言在開發(fā)和學習中的經(jīng)驗和技巧。歡迎關注！

文章的最后，給出LED驅動在無操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)下的實現(xiàn)示例，以供大家作以比較。LED一般直接由CPU的GPIO口控制，GPIO一般由兩組寄存器控制，即一組控制寄存器和一組數(shù)據(jù)寄存器。控制寄存器可設置GPIO口的工作方式為輸入或輸出。當引腳被設置為輸出時，向數(shù)據(jù)寄存器的對應位寫入1和0分別在引腳上產(chǎn)生高電平和低電平；當引腳設置為輸入時，讀取數(shù)據(jù)寄存器的對應位可獲得引腳上的電平高低。

在無操作系統(tǒng)時的LED驅動如下：

上述程序中的LedInit()、LedOn()、LedOff()都直接作為驅動提供給應用程序使用。

在Linux下，我們使用字符設備驅動的框架來編寫對應于上圖中的LED驅動程序，為了遵循Linux編程的命名習慣，重新將其命名為led_init()、led_on()、led_off()，注意：你現(xiàn)在并不需要能夠讀懂下圖中的這些代碼，我在后續(xù)的文章更新中會繼續(xù)講解說明。

Linux操作系統(tǒng)下的LED驅動程序：

在這里，我們只需要有一個感性的認識即可，那就是上圖中陌生的結構和元素都是Linux內(nèi)核為設備定義的，在后面的學習中，我們只需要會使用即可(都是套路)。