一、Linux内核结构介绍
- Linux内核结构框图
二、图解Linux系统架构
三、驱动认知
- 1、为什么要学习写驱动
- 2、文件名与设备号
- 3、open函数打通上层到底层硬件的详细过程
四、Shell
- Shell脚本
一、Linux内核结构介绍
Linux 内核是操作系统的核心部分,它负责管理系统的资源、进程调度、设备驱动程序等核心功能。以下是 Linux 内核的主要组成部分和结构:
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进程管理:
- 调度器(Scheduler): 决定在多任务系统中哪个进程获得 CPU 时间。
- 进程控制块(Process Control Block,PCB): 存储有关进程的信息,如寄存器状态、进程状态等。
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内存管理:
- 虚拟内存管理: 管理进程的虚拟地址空间,包括分页机制、页面置换等。
- 物理内存管理: 负责跟踪系统中的物理内存,包括内存分配、释放等。
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文件系统:
- 虚拟文件系统(VFS): 提供文件系统的抽象接口,使得不同类型的文件系统可以共享相同的 API。
- 文件描述符表: 管理打开文件的信息,每个进程都有一个文件描述符表。
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设备驱动程序:
- 字符设备和块设备驱动: 用于管理字符设备(如终端)和块设备(如硬盘)。
- 网络设备驱动: 处理网络设备和协议栈。
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网络协议栈:
- TCP/IP 协议栈: 包括网络层、传输层等,用于实现网络通信。
- 套接字层: 提供应用程序与网络协议栈之间的接口。
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系统调用接口:
- 系统调用: 提供用户空间程序与内核之间的接口,允许用户程序请求内核执行特权操作。
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中断和异常处理:
- 中断处理程序: 处理硬件中断,允许外部设备向 CPU 发送信号。
- 异常处理程序: 处理由于错误或异常情况而引发的事件。
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定时器和时钟管理:
- 内核定时器: 用于实现计时和时间管理。
- 实时时钟(RTC): 处理硬件时钟。
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同步和互斥机制:
- 信号量、自旋锁、互斥体等: 用于确保多个进程或线程之间的同步和互斥。
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系统初始化和启动:
- 引导加载程序(Bootloader): 负责加载内核镜像到内存中。
- 启动过程: 初始化硬件、文件系统等,最终执行第一个用户空间进程。
这些组件一起构成了 Linux 内核的核心结构。内核的源代码是 modulized 的,允许添加或删除特定功能的模块,以适应不同的需求。整个内核的结构和实现细节非常庞大,具体的功能和特性取决于具体的内核版本和配置。
Linux内核结构框图
对内核结构框图有个总体的把握,有助于理解为什么驱动要这样写,为什么写的应用程序所用的C库接口能够产生这么多的事情。
函数库就像一个“黑匣子”,提供了一系列API支配内核运作,但你不知道内核发生了什么。
内核是一个很厉害的超级逻辑,把硬件底层的东西抽象化,对用户来说只需要调API就好了,根本不需要管寄存器,协议,总线…(单片机会去直接操作),这些全部由操作系统做好。动不动写个操作系统是不现实的。
能把字符设备,块设备的设备驱动吃透,已经是一个很厉害的工程师了。
二、图解Linux系统架构
最内层是硬件,最外层是用户应用,比如浏览器等等。硬件是物质基础,而应用提供服务。
为了方便调用内核,Linux将内核的功能接口制作成系统调用(system call)。用户不需要了解内核的复杂结构,就可以使用内核。系统调用是操作系统的最小功能单位。一个操作系统,以及基于操作系统的应用,都不可能实现超越系统调用的功能。
系统调用提供的功能非常基础,所以使用起来很麻烦。一个简单的给变量分配内存空间的操作,就需要动用多个系统调用。Linux定义一些库函数(library routine)来将系统调用组合成某些常用的功能。上面的分配内存的操作,可以定义成一个库函数,比如常用的malloc。
三、驱动认知
驱动(Driver)是一种用于使操作系统与硬件或其他软件交互的程序或模块。驱动程序充当操作系统与硬件之间的桥梁,允许它们有效地通信和协作。以下是关于驱动的一些基本认知:
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硬件与操作系统的交互: 操作系统本身并不了解所有硬件设备的细节。驱动程序提供了一个标准的接口,使得操作系统能够与硬件设备进行通信,而无需了解设备的底层细节。
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功能和作用:
- 设备驱动: 控制和管理硬件设备,如打印机、图形卡、网络适配器等。
- 文件系统驱动: 提供对不同文件系统的支持,例如 FAT、NTFS、ext4 等。
- 虚拟设备驱动: 创建虚拟设备,如虚拟磁盘、虚拟网络设备等。
- 字符设备驱动和块设备驱动: 用于字符设备(如终端)和块设备(如硬盘)的控制。
- 网络设备驱动: 管理网络接口卡和网络协议栈的通信。
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驱动模型:
- Monolithic Kernel 模型: 驱动程序直接链接到内核,与内核一起运行。
- Microkernel 模型: 驱动程序运行在用户空间,与内核通过 IPC 进行通信。
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编写和调试:
- 语言: 驱动程序通常使用 C 语言编写。
- 调试: 驱动的调试比应用程序更具挑战性,通常需要使用特定的调试工具。
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加载和卸载:
- 加载: 操作系统在启动时或需要设备支持时加载相应的驱动。
- 卸载: 驱动可在不需要时从内存中卸载。
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稳定性和性能:
- 稳定性: 驱动程序的稳定性对系统整体稳定性至关重要。
- 性能: 驱动程序的效率影响系统性能,因此编写高效的驱动程序很重要。
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硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer,HAL):
- 驱动程序通常包括硬件抽象层,用于将硬件的具体实现细节隐藏起来,使得上层软件能够以标准化的方式与硬件交互。
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硬件和操作系统的变化:
- 驱动程序需要不断适应硬件和操作系统的变化。随着技术的进步和新硬件的推出,驱动程序需要进行更新和优化。
驱动程序是操作系统的关键组成部分之一,它们的正确性和性能直接影响到系统的稳定性和功能。在编写和维护驱动程序时,开发人员需要深入了解硬件和操作系统的工作原理。
1、为什么要学习写驱动
学习写驱动有许多重要的原因,尤其是对于嵌入式系统和底层硬件交互的开发者。以下是一些学习写驱动的关键原因:
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硬件控制: 驱动是与硬件设备进行交互的桥梁。通过学习写驱动,你可以更好地理解和掌握如何控制硬件,包括传感器、执行器、通信设备等。
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跨平台兼容性: 编写通用的驱动可以使你的代码跨平台兼容,不依赖于特定的硬件或平台。这对于未来在不同系统上进行开发是至关重要的。
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定制化需求: 在一些特殊的应用场景中,可能需要对硬件进行定制化的开发。学会写驱动使你能够满足特定硬件需求,而不仅仅依赖于现有的库和工具。
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系统优化和性能: 编写优化的驱动可以提高系统的性能。对于嵌入式系统或对性能要求较高的应用,了解并优化驱动是至关重要的。
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学习系统内部原理: 编写驱动需要深入了解操作系统的内部原理,包括内存管理、中断处理、设备树等。这有助于提升对系统整体运行机制的理解。
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适应不同的开发环境: 随着技术的发展,可能需要在不同的硬件平台上进行开发。通过学习写驱动,你能够适应不同的开发环境,不仅限于某个特定的开发板或平台。
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理解底层通信协议: 编写驱动通常涉及与硬件之间的低层通信,这使你能够深入了解通信协议、寄存器配置等底层细节。
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开发嵌入式系统: 对于嵌入式系统的开发者来说,掌握驱动编写是至关重要的,因为这些系统通常需要直接与硬件进行交互。
总的来说,学习写驱动提供了更深层次的系统开发技能,使开发者能够更全面、更灵活地应对各种硬件和开发场景。
原来树莓派开发使用厂家提供的wiringPi库,开发简单。
但未来做开发时,不一定都是用树莓派,没有wiringPi库可以用。但只要能运行Linux,linux的标准C库一定有。
学会根据标准C库编写驱动,只要能拿到linux内核源码,拿到芯片手册,电路图…就能做开发。
2、文件名与设备号
在 Linux 中,一切皆为文件的概念是核心思想之一。设备文件在 /dev
目录下,通过文件名和设备号来标识和区分硬件设备。以下是一些相关的概念和解释:
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文件名: 文件名是用户空间应用程序访问设备的方式之一。通过打开
/dev
目录下的特定文件,应用程序可以与相应的设备进行交互。例如,/dev/sda
可以代表系统上的第一个硬盘设备。 -
设备号: 每个设备文件都与一个设备号相关联。设备号分为主设备号和次设备号两部分。
- 主设备号: 用于区分不同种类的设备,它指定了设备驱动程序的入口点。
- 次设备号: 用于区分同一类型下的多个设备,指定具体的设备实例。
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设备号的管理: 设备号是通过
mknod
命令手动创建的,但通常由系统自动创建和管理。系统会为已注册的设备驱动程序分配设备号,这些信息存储在内核的设备链表中。 -
设备链表: 内核中存在一个设备链表,用于管理已注册的设备驱动程序。这个链表包含了每个设备驱动程序的信息,包括主设备号、设备名称、设备操作函数等。
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加载驱动程序: 驱动程序通过
insmod
或modprobe
命令加载到内核中。加载后,内核会将该驱动程序的信息加入设备链表中。 -
用户空间的操作: 当用户空间的应用程序调用
open
等系统调用时,内核会根据文件名找到相应的设备号,并查找设备链表以确定相应的设备驱动程序。这样,用户空间的应用程序就可以通过文件名访问硬件设备。
总体来说,文件名和设备号的组合提供了一种抽象的方式,使用户空间的应用程序能够以标准的文件 I/O 操作方式访问硬件设备,而无需了解底层硬件细节。这种抽象化的设计提高了系统的可移植性和灵活性。
在目录/dev下都能看到鼠标,键盘,屏幕,串口等设备文件,硬件要有相对应的驱动,那么open怎样区分这些硬件呢?
依靠文件名与设备号
crw-rw----+ 1 root video 81, 0 Dec 14 12:17 video0
这是一个设备文件的详细信息,解释如下:
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crw-rw----+: 文件的类型和权限。这是一个字符设备文件,权限是读写,额外的加号表示文件有扩展属性。
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1: 这表示有一个硬链接指向该文件。
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root: 文件的所有者是 root 用户。
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video: 文件的所属组是 video 组。
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81, 0: 这是设备文件的主设备号和次设备号。在这个例子中,主设备号是 81,次设备号是 0。
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Dec 14 12:17: 文件的最后修改时间是在 12 月 14 日的 12:17。
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video0: 文件的名称是 video0。
这个设备文件属于 video 组,具有读写权限。主设备号为 81,次设备号为 0,表明它是一个视频设备。
主设备号和次设备号
设备号又分为:主设备号用于区别不同种类的设备;次设备号区别同种类型的多个设备。驱动插入到链表的位置(顺序)由设备号检索
内核中存在一个驱动链表,管理所有设备的驱动。 驱动开发无非以下两件事:
- 编写完驱动程序,加载到内核
- 用户空间open后,调用驱动程序(驱动程序就是操作寄存器来驱动IO口,单片机51,32就是这种操作)
3、open函数打通上层到底层硬件的详细过程
open
函数是用户空间应用程序通过系统调用访问文件的入口。打通上层到底层硬件的过程涉及几个步骤,主要包括:
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用户空间调用: 应用程序在用户空间通过标准库函数
open
调用打开文件。该调用提供了文件路径和一些标志位参数。int fd = open("/dev/video0", O_RDWR);
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系统调用:
open
函数触发系统调用,导致应用程序从用户空间切换到内核空间。在内核空间,调用处理程序开始执行。 -
查找文件: 内核通过文件系统层次结构查找指定的文件。在这个例子中,是查找
/dev/video0
这个设备文件。 -
获取文件对象: 找到文件后,内核会创建一个文件对象(file structure)来代表该文件。这个文件对象包含了一系列与文件相关的信息,例如文件的位置、访问模式、设备号等。
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权限检查: 内核会检查应用程序对文件的访问权限。如果应用程序没有足够的权限,
open
将失败。 -
分配文件描述符: 成功后,内核为应用程序分配一个文件描述符,这个描述符是一个整数,用于标识文件对象。应用程序将使用这个描述符进行后续的文件操作。
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调用文件操作函数: 对于设备文件,内核会调用相应的设备驱动程序中的文件操作函数。例如,
open
操作可能触发设备驱动程序的open
函数。 -
设备操作: 设备驱动程序中的
open
函数执行与设备相关的初始化或其他必要的操作。这可能包括分配设备资源、配置硬件等。 -
返回文件描述符: 如果所有步骤成功,
open
系统调用返回文件描述符给应用程序,表示文件打开成功。
通过这个过程,open
函数从用户空间向内核发起请求,内核负责管理文件系统和与设备相关的硬件,最终建立起用户空间应用程序与底层硬件的连接。
用户空间调用open
用户空间调用open(比如open(“/dev/pin4”,O_RDWR))产生一个软中断(中断号是0x80),进入内核空间调用sys_call,这个sys_call在内核里面是汇编的,用Source Insight搜索不到。
sys_calll真正调用的是sys_open(属于VFS层虚拟文件系统,因为磁盘的分区和引脚分区不一样,为了实现上层统一化),根据你的设备名比如pin4去到内核的驱动链表,根据其主设备号与次设备号找到相关驱动函数。
调用驱动函数里面的open,这个open就是对寄存器的操作,从而设置IO口引脚电平。这件事对于单片机来说特变容易,就两句话搞定:
sbit pin4 = P1^4;
pin4 = 1;
四、Shell
Shell 是一种命令行解释器,允许用户与操作系统进行交互。它接受用户输入的命令,并将其解释为操作系统能理解的指令。以下是一些关于 Shell 的基本信息:
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命令解释器: Shell 解释用户输入的命令并将其转化为系统调用或执行相应的程序。用户可以通过 Shell 发送命令,执行各种任务。
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命令行界面: Shell 提供了一个命令行界面,用户通过键盘输入命令。这是与图形用户界面(GUI)相对的概念,GUI 提供了图形化的操作界面。
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脚本语言支持: 大部分的 Shell 是脚本语言的解释器,允许用户编写脚本来执行一系列命令,实现复杂的任务。常见的 Shell 脚本语言包括 Bash、sh、zsh 等。
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交互式和非交互式: 用户可以在交互式模式下逐行输入命令,也可以将一系列命令存储在脚本文件中,以非交互式模式执行。
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环境变量: Shell 维护了一组环境变量,这些变量包含了有关当前用户和系统配置的信息。用户可以通过设置环境变量来影响 Shell 和其执行的命令的行为。
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默认 Shell: Linux 系统中常见的 Shell 包括 Bash(Bourne Again SHell)、sh(Bourne Shell)、zsh(Z Shell)等。用户可以通过修改用户配置文件或使用
chsh
命令更改默认 Shell。 -
管道和重定向: Shell 提供了管道和重定向操作符,允许将命令的输出传递给其他命令,或将输入输出从/到文件。
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通配符和通配符扩展: Shell 支持通配符,用于匹配文件名。通配符扩展是指 Shell 将通配符扩展为匹配的文件名列表。
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命令历史: 大多数 Shell 记录用户输入的命令历史,用户可以通过按上下箭头键来浏览和重新执行之前的命令。
Shell 在操作系统中扮演着重要的角色,为用户提供了与操作系统交互的途径,使用户能够有效地管理系统、执行任务和编写自动化脚本。
例如:当我们输入
ls -l
的时候,它将此字符串解释为
- 1.在默认路径找到该文件(
/bin/ls
),- 2.执行该文件,并附带参数
-l
。
你可以通过这个窗口输入或者输出文本,这个文本直接传递给shell进行分析解释,然后执行,本质就是提供和内核交互的程序。
Shell脚本
在没有图形界面之前,shell充当了用户的界面,当用户要运行某些应用时,通过shell输入命令,来运行程序。shell是可编程的,它可以执行符合shell语法的文本,这样的文本叫做shell脚本(script)。
Shell 脚本是一种由 Shell 解释器执行的文本文件,其中包含一系列的 Shell 命令。Shell 脚本提供了一种在命令行界面中编写和执行一系列命令的方式,允许用户自动化和批处理一些任务。
以下是一些关于 Shell 脚本的基本信息:
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脚本文件格式: Shell 脚本通常以
.sh
为扩展名,但这不是必须的。脚本文件的第一行通常包含指定 Shell 解释器的路径,例如#!/bin/bash
表示使用 Bash 解释器执行脚本。 -
权限设置: 在执行 Shell 脚本之前,需要为脚本文件添加执行权限。可以使用
chmod +x script.sh
命令为脚本添加执行权限。 -
语法: Shell 脚本遵循 Shell 的语法规则,包括变量、条件语句、循环、函数等。常见的 Shell 脚本语言包括 Bash、sh、zsh 等。
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变量: 可以在 Shell 脚本中定义和使用变量,例如:
# 定义变量 name="John" # 使用变量 echo "Hello, $name!"
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流程控制: Shell 脚本支持条件语句和循环,允许根据条件执行不同的命令,或者重复执行一组命令。
# 条件语句 if [ "$name" == "John" ]; then echo "It's John!" else echo "It's not John!" fi # 循环 for i in {1..5}; do echo "Count: $i" done
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函数: 可以在 Shell 脚本中定义和调用函数,以实现代码的模块化。
# 定义函数 say_hello() { echo "Hello from the function!" } # 调用函数 say_hello
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命令替换: Shell 脚本支持使用反引号 ` 或
$()
将命令的输出嵌入到脚本中。# 命令替换 current_date=`date` echo "Current date: $current_date"
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输入输出重定向: 可以使用
<
、>
、>>
等运算符实现输入和输出的重定向。# 输出重定向 echo "Hello, World!" > output.txt # 输入重定向 cat < input.txt
通过编写 Shell 脚本,用户可以实现自动化任务、批处理作业,或者简化复杂的命令行操作。这使得 Shell 脚本成为系统管理员和开发人员的重要工具。