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Linux驱动开发（2）进一步理解驱动

news 2025/9/11 5:35:56

一、Linux下应用程序调用驱动程序流程

1、简要流程

Linux下进行驱动开发，完全将驱动程序与应用程序隔开，中间通过C标准库函数以及系统调用完成驱动层和应用层的数据交换。
驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对“/dev/xxx” (xxx 是具体的驱动文件名字) 的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。
用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做 “系统调用”的方法 来实现从用户空间“陷入” 到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。
每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体，此结构体就是 Linux 内核驱动操作函数集合。

2、从驱动加载开始的详细流程（字符驱动）

（1）加载一个驱动模块，产生一个设备文件，有唯一对应的inode结构体。

（2）应用层调用open函数打开设备文件，对于上层open调用到内核时会发生一次软中断，从用户空间进入到内核空间。

（3）open会调用到sys_open(内核函数)，sys_open根据文件的地址，找到设备文件对应的struct inode结构体描述的信息，可以知道接下来要操作的设备类型（字符设备还是块设备），还会分配一个struct file结构体。

（4）根据struct inode结构体里面记录的主设备号和次设备号，在驱动链表(管理所有设备的驱动)里面，找到字符设备驱动.

（5）每个字符设备都有一个struct cdev结构体。此结构体描述了字符设备所有信息，其中最重要的一项就是字符设备的操作函数接口.

（6）找到struct cdev结构体后，linux内核就会将struct cdev结构体所在的内存空间首地址记录在struct inode结构体i_cdev成员中，将struct cdev结构体中的记录的函数操作接口地址记录在struct file结构体的f_ops成员中。

（7）执行xxx_open驱动函数。

3、一些问题

（1）inode和cdev的关系

（2）i_cdev的作用

（3）struct file结构体

4、设备号

Linux 中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成
主设备号表示某一个具体的驱动，次设备号表示使用这个驱动的各个设备。
Linux 提供了一个名为 dev_t 的数据类型表示设备号其中高 12 位为主设备号，低 20 位为次设备
使用"cat /proc/devices"命令即可查看当前系统中所有已经使用了的设备号（主）

MAJOR // 用于从 dev_t 中获取主设备号，将 dev_t 右移 20 位即可。
MINOR //用于从 dev_t 中获取次设备号，取 dev_t 的低 20 位的值即可。
MKDEV //用于将给定的主设备号和次设备号的值组合成 dev_t 类型的设备号。

二、地址映射与I/O内存访问

虚拟地址空间和实际的内存之间的映射关系，就叫地址映射。在驱动开发的过程中会用到内存映射函数。对于32位处理器来说，虚拟地址范围是2^32=4GB.

CPU只能访问虚拟地址，而CPU需要向寄存器地址写入数据的时候不能直接写入，必须得到寄存器物理地址在Linux系统中对应的虚拟地址。物理内存和虚拟内存之间的转换，需要用到： ioremap 和 iounmap两个函数。

1、ioremap与iounmap：获取指定物理地址空间对应的虚拟地址空间

ioremap的用法：

#define addr (0X020E0068)  // 物理地址
static void __iomem*  va; //指向映射后的虚拟空间首地址的指针
va=ioremap(addr, 4);   // 得到虚拟地址首地址

这里就是用ioremap获得了addr对应的虚拟地址空间。

卸载驱动时要使用 iounmap 函数释放掉 ioremap 函数所做的映射。

iounmap(va);//va是要取消映射的虚拟地址空间首地址

2、为什么需要ioremap

3、I/O内存访问函数

当外部寄存器或外部内存映射到内存空间时，称为 I/O 内存。但是对于 ARM 来说没有 I/O 空间，因此 ARM 体系下只有 I/O 内存(可以直接理解为内存)。

使用 ioremap 函数将寄存器的物理地址映射到虚拟地址后，可以直接通过指针访问这些地址，但是 Linux 内核不建议这么做，而是推荐使用一组操作函数来对映射后的内存进行读写操作。

（1）读操作函数

u8 readb(const volatile void __iomem *addr)
u16 readw(const volatile void __iomem *addr)
u32 readl(const volatile void __iomem *addr)

readb、 readw 和 readl 分别对应 8bit、 16bit 和 32bit 读操作，参数 addr 就是要读取写内存地址，返回值是读取到的数据。

（2）写操作函数

void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr)
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr)
void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr)

writeb、 writew 和 writel分别对应 8bit、 16bit 和 32bit 写操作，参数 value 是要写入的数值， addr 是要写入的地址。