本章导读

本章将介绍初步探索linux驱动开发。

36.1章节讲解了linux设备驱动开发基本概念

36.2章节讲解了linux三大设备驱动的特点

36.3章节以最简单的驱动-helloworld为例，编写入门驱动开发的第一个驱动例程。

本章内容对应视频讲解链接（在线观看）：

什么是linux驱动 → https://www.bilibili.com/video/BV1Vy4y1B7ta?p=3

Linux第一个驱动Helloworld → https://www.bilibili.com/video/BV1Vy4y1B7ta?p=4

任何一个计算机系统的运转都是系统中软硬件共同努力的结果，没有硬件的软件是空中楼阁，而没有

软件的硬件则只是一堆废铁。硬件是底层基础，是所有软件得以运行的平台，代码最终会落实为硬件上的

组合逻辑与时序逻辑；软件则实现了具体应用，它按照各种不同的业务需求而设计，并完成用户的最终诉

求。硬件较固定，软件则很灵活，可以适应各种复杂多变的应用。因此，计算机系统的软硬件相互成就了

对方。驱动程序负责硬件和应用软件之间的沟通，而驱动工程师则负责硬件工程师和应用软件工程师之间的沟通，那么从字面意思来看，设备驱动最通俗的解释就是“驱使硬件设备行动”。在学习驱动之前，我们先了解一些基础概念。

概念一 裸机编程或单片机开发

裸机编程，顾名思义，就是直接在硬件上编程写代码，或者说编写直接在硬件上运行的程序，没有操作系统的支持。一般我们把没有操作系统的编程环境，称为裸机编程环境，比如在单片机上编程。通过串口直接将程序下载到单片机芯片内部的Flash中，单片机运行时，直接调用我们编程的程序。这时，我们编写的程序一般都有一个while 1的死循环存在，这样程序才能一直保持运行。裸机编程现在主要是正对低端的嵌入式系统，如SCM（single chip machine）、各式MCU、DSP等。当然，编写PC的bootloader肯定也属于裸机编程。

单片机是一种集成电路芯片，是用大规模集成电路技术通过编程数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能,这其中还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等功能等集成到一块小芯片上。

单片机开发包括：程序设计（PC端软件编程），程序送往执行（将编程好的软件下载到单片机，需要编程器或者下载线），单片机系统的设计（硬件上设计你需要的任务的执行机构，如控制开关，温度检测，红外传输等等，都是根据你的所需，然后在选择对应的硬件器件）。

概念二 linux系统开发

基于linux操作系统来开发我们的产品叫linux系统开发。此开发的编程方式和裸机开发的编程方式是截然不同的。裸机开发的编程方式是直接运行在硬件之上，不与任何操作系统关联。操作系统的存在势必要求设备驱动附加更多的代码和功能，把单一的“驱使硬件设备行动”变成了操作系统内与硬件交互的模块，它对外呈现为操作系统的API，不再给应用软件工程师直接提供接口。由此可见，当系统中存在操作系统的时候，驱动变成了连接硬件和内核的桥梁。

linux系统开发框架如下图所示，最上层的是应用软件，下面是操作系统，再下面是驱动程序，最后是我们的硬件。如果在硬件上跑操作系统，驱动程序是位于硬件和操作系统中间的，是连接操作系统和硬件之间的桥梁。

这里拿linux操作系统给大家举个例子，linux系统可以跑到不同的硬件上面如pc机或者arm开发板上面。如果linux操作系统跑到PC机上，那么驱动就要适配PC机； 如果linux操作系统跑到arm开发板上面，那么驱动就要适配arm开发板；所以说不同的硬件架构都可以跑linux，但是它的驱动程序是不同的，那么linux操作系统源码都是一样的，唯一不一样的就是驱动程序了。也就是说同一个操作系统可以跑到不同的硬件上面，但是驱动程序是有差异的，因为驱动程序是操作系统和硬件连接的一个桥梁。

概念三 系统移植 linux驱动移植

移植是说同样的一个linux操作系统 ，我们可以跑到不同的硬件上面，我们把操作系统移植到不同的硬件上面，这个过程叫做移植。设备驱动移植步骤，如下图所示：

概念四 应用软件

在操作系统上面有应用软件，应用软件程序的执行是依赖于操作系统的，应用程序需要调用linux操作系统的库函数来实现，也就是说，应用软件的程序会调用linux操作系统的函数来完成对硬件的操作，那么应用程序是不能对硬件直接进行操作的。

概念五 linux系统架构优点

linux系统开发架构和我们裸机的架构是不同的，架构相比于裸机架构是非常复杂了，那么我们使用这个架构都有什么好处呢？

1 有了系统的架构后，开发起来就非常容易了，因为它有自己的框架，这种框架都是非常成熟的框架，我们直接按照框架开发就可以了，框架给我们提供了很多现成的功能。

2 这个框架让我们的系统变得更加安全，因为我们的应用软件不能直接对硬件进行操作，它要借助操作系统来对硬件进行操作。如果应用软件有好几个，假如其中的一个应用软件崩溃了，它不会影响我们整个系统的运行，不会造成系统的死机，这样就会让系统更加安全，出问题的概率变得更小了。

36.2 linux设备驱动分类及特点

计算机系统的硬件主要由CPU、存储器和外设组成。随着IC制作工艺的发展，目前，芯片的集成度越

来越高，往往在CPU内部就集成了存储器和外设适配器。譬如，相当多的ARM、PowerPC、MIPS等处理器都集成了UART、I2C控制器、SPI控制器、USB控制器、SDRAM控制器等，有的处理器还集成了GPU（图形处理器）、视频编解码器等。驱动针对的对象是存储器和外设（包括CPU内部集成的存储器和外设，而不是针对CPU内核。Linux将存储器和外设分为3个基础大类：字符设备驱动，块设备驱动，网络设备驱动。

其中，理解和掌握字符设备驱动的概念最重要，因为在后续工作中我们遇到的大部分是字符设备。为什么会这么说呢？比如说我们选了一个cpu,不管它是哪个厂家的，比如它是三星的或者恩智浦的或者TI（德州仪器），那么他们都会给你提供一个bsp包，在这个开发包里面，像块设备驱动和网络设备驱动已经做好了，我们要做的事情是配置一下就可以用了。平常开发的时候用的最多的就是字符设备驱动，我们掌握了字符设备的开发，那么我们开发产品基本上就没有什么问题了。

字符设备指那些必须以串行顺序依次进行访问的设备，如触摸屏、磁带驱动器、鼠标等。块设备可以按任意顺序进行访问，以块为单位进行操作，如硬盘、eMMC等。字符设备和块设备的驱动设计有出很大的差异，但是对于用户而言，它们都要使用文件系统的操作接口open（）、close（）、read（）、write（）等进行访问。网络设备主要有哪些呢？从字面意思可以看出，和网络相关的都是网络设备，比如WiFi，以太网。在Linux系统中，网络设备面向数据包的接收和发送而设计，它并不倾向于对应于文件系统的节点。内核与网络设备的通信与内核和字符设备、网络设备的通信方式完全不同，网络设备主要还是使用套接字接口。

36.3 最简单的设备驱动-helloworld

程序源码在网盘资料“iTOP-i.MX8MM开发板\02-i.MX8MM开发板网盘资料汇总(不含光盘内容)\嵌入式Linux开发指南(iTOP-i.MX8MM)手册配套资料\2.驱动程序例程\01-第一个驱动helloworld”路径下。

经过前面的学习，我们了解了驱动开发的框架，本章节将带领大家实验操作，写最简单的驱动-helloworld。

Linux设备驱动会以内核模块的形式出现，因为linux内核的整体架构就非常庞大，包含的组件也非常多，如果把所有的功能都编译到linux内核中会使得内核非常臃肿，为了解决这个问题，更方便地新增和删除功能，linux提供了这样的机制，这种机制被称为模块。为了大家对模块有一个感性的认识，我们先来看一个最简单的驱动-helloworld。

驱动分为四个部分：

• 头文件
• 驱动模块的入口函数和出口函数
• 声明信息
• 功能实现

 我们在windows上面新建一个helloworld.c文件，这里使用sourceinsight来编辑文件，大家也可以用其他编译器来编写程序。

第一步 包含头文件

#include <linux/init.h>   //包含宏定义的头文件

#include <linux/module.h> //包含初始化加载模块的头文件

第二步 驱动模块的入口函数和出口函数

module_init();

module_exit();

第三步 声明模块拥有开源许可证

MODULE_LICENSE("GPL");

第四步 功能实现：内核模块加载的时候打印hello world! ，内核模块卸载的时候打印gooodbye!

注意：内核打印函数不能用printf，因为内核没有办法使用C语言库。

static int hello_init(void){
    printk("hello world! \n");
    return 0;
} 
static void hello_exit(void){
    printk("gooodbye! \n");
}

完整的一个最简单的Linux内核模块，如下图所示：

此时，我们需要有一个感性认识，代码中的某些陌生元素都是linux内核为了字符设备定义的，以实现驱动与内核接口而定义的。Linux对各类设备的驱动都定义了类似的数据结构和函数。