嵌入式Linux驱动开发的基本知识(驱动程序的本质、常见的设备类型、设备号的本质理解、设备实例的注册过程)

基本概念之什么是驱动程序()？

驱动程序本质上是代码逻辑的集合，通常用于管理、驱动多个设备实例。某个设备要想使用驱动程序，需要实例化相应的驱动程序的结构体，并在系统中注册，获得主设备号、次设备号，并将相应的结构体、变量、函数等进行绑定。
这里重点要理解驱动程序只是代码逻辑的集体，并不等同于设备，驱动程序本身并没有主设备号、次设备号等，主设备号、次设备号是在注册设备实例时才有的概念。

Linux系统中常见的设备类型有哪些？

在 Linux 系统中，设备可以分为不同的类型，主要根据它们的工作方式、接口和功能进行分类。以下是 Linux 系统中常见的设备类型：

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1. 字符设备 (Character Devices)

字符设备是按字符流方式进行数据传输的设备，每次读写都涉及一个字符或字节的数据。例如：

• 终端设备 (tty): 用于与用户交互的设备，如串口终端、虚拟终端。
• 串口设备 (ttyS): 串口通信设备，如 /dev/ttyS0。
• 键盘 (kbd): 连接的键盘设备。
• 鼠标 (mouse): 连接的鼠标设备。
• 伪设备：例如 /dev/null、/dev/random、/dev/zero 等，这些设备没有硬件实现，提供特殊的功能。

特点：

• 按字符流进行读写，每次读写一个字符（或字节）。
• 通过字符设备文件（如 /dev/ttyS0）与应用程序交互。

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2. 块设备 (Block Devices)

块设备是按块（通常是 512 字节或更大的单位）进行数据传输的设备。它们支持随机访问和缓存功能。例如：

• 硬盘 (/dev/sda, /dev/sdb 等): 计算机的主要存储设备。
• 固态硬盘 (SSD) (/dev/sda1, /dev/nvme0n1): 新型存储设备，提供更高的读写速度。
• 光盘驱动器 (/dev/cdrom): 用于读取光盘数据的设备。
• USB 存储设备 (/dev/sdb1, /dev/sdc): 连接到系统的 USB 存储设备。
• 虚拟磁盘 (/dev/loop0): 用于挂载虚拟磁盘映像的设备。

特点：

• 支持随机读写访问，通常用于文件系统的挂载。
• 设备文件通常位于 /dev/ 目录下。

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3. 网络设备 (Network Devices)

网络设备是用于网络通信的设备。它们支持网络接口的连接和数据传输。例如：

• 以太网卡 (eth0, eth1): 网络接口，用于连接有线网络。
• 无线网卡 (wlan0, wlan1): 用于连接无线网络。
• 虚拟网络设备 (lo): 回环接口，用于与本机进行网络通信。

特点：

• 用于实现计算机与外部网络的通信。
• 可以是有线或无线设备，支持 TCP/IP 等协议。

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4. 输入设备 (Input Devices)

输入设备是用于将用户输入传递给计算机的设备。它们通常使用字符设备接口。例如：

• 鼠标 (/dev/input/mice): 用于提供用户的指针控制输入。
• 键盘 (/dev/input/event0): 用于接收用户的键盘输入。
• 触摸屏 (/dev/input/eventX): 用于接收触摸操作。

特点：

• 输入设备通常通过 /dev/input/ 目录进行管理，使用字符设备接口。
• 输入事件通过设备文件传递给应用程序。

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5. 虚拟设备 (Virtual Devices)

虚拟设备并不对应于物理硬件设备，而是通过软件实现的设备。例如：

• 虚拟终端 (/dev/tty0, /dev/tty1): 提供与系统交互的虚拟控制台。
• 内存设备 (/dev/mem): 用于访问物理内存的虚拟设备。
• 随机数设备 (/dev/random, /dev/urandom): 用于生成随机数的设备。

特点：

• 不依赖于硬件，而是由内核或驱动程序模拟。
• 提供系统管理或特殊功能。

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6. 特殊设备 (Special Devices)

这些设备通常与硬件密切相关，但它们的作用和用法比较特殊。例如：

• 时钟设备 (/dev/rtc): 实时钟设备，用于管理系统时间。
• 伪设备 (/dev/null, /dev/zero): 不涉及实际硬件，而是提供特殊功能，通常用于丢弃或生成数据。

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7. USB 设备 (USB Devices)

USB 设备通过 USB 总线连接到计算机，涵盖了各种设备类型。例如：

• USB 存储设备 (/dev/sda1, /dev/sdb1): 连接的 USB 存储。
• USB 摄像头 (/dev/video0): 通过 USB 接口连接的摄像头。
• USB 键盘和鼠标 (/dev/input/eventX): 连接的 USB 键盘和鼠标。

特点：

• 支持即插即用（plug-and-play），可以动态连接和断开。

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8. 串口设备 (Serial Devices)

串口设备通过串行接口进行通信，通常用于较为传统的设备。例如：

• 串口终端 (/dev/ttyS0, /dev/ttyS1): 传统的串口设备。
• 调制解调器 (/dev/ttyUSB0): 通过串口连接的调制解调器。

特点：

• 通过串行接口传输数据，通常用于低速数据通信。

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9. SCSI 设备 (SCSI Devices)

SCSI 是一种广泛用于硬盘、光驱等设备的标准接口。例如：

• SCSI 硬盘 (/dev/sda, /dev/sdb): SCSI 接口的硬盘设备。
• SCSI 光驱 (/dev/sr0): SCSI 接口的光驱设备。

特点：

• 高性能和扩展性，常用于服务器或工作站中。
• 支持多个设备共享同一总线。

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10. PCI 设备 (PCI Devices)

PCI 总线上的设备用于高性能数据交换。例如：

• 显卡 (/dev/video0): 通过 PCI 接口连接的显卡设备。
• 网卡 (/dev/eth0): 通过 PCI 接口连接的网卡设备。
• 音频设备 (/dev/snd/pcmC0D0p): 通过 PCI 接口连接的音频设备。

特点：

• 高速数据传输，支持多种设备接口。
• 通过 PCI 总线连接多个设备。

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11. I2C 和 SPI 设备 (I2C/SPI Devices)

I2C 和 SPI 是常用于嵌入式设备的通信协议，用于连接传感器、显示器等设备。例如：

• I2C 设备：通过 I2C 总线连接的设备，通常位于 /dev/i2c-X。
• SPI 设备：通过 SPI 总线连接的设备，通常位于 /dev/spidevX.Y。

特点：

• 用于短距离、高速的设备间通信。
• 主要用于嵌入式系统中的外围设备。

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小结

在 Linux 系统中，设备类型非常丰富，主要包括字符设备、块设备、网络设备、输入设备、虚拟设备、USB 设备、串口设备等。每种设备都有不同的特点和用途，Linux 系统通过设备文件（通常位于 /dev/ 目录下）来对这些设备进行管理和访问。

什么叫主设备号、次设备号？

主设备号、次设备号是Linux系统管理设备的一种结构，通常如果有多个设备，其驱动程序如果一样，那我们为其分配相同的主设备号，内核通过主设备号找到负责处理该设备的驱动程序。但它们的次设备号不同，通过不同的次设备号来区别它们。
当然如果设备类型相同，驱动程序也相同，你也可以为它们分配不同的主设备号，不过不建议这样做，这不符号Linux的基本设计原则。
不过也有特例，比如不同类型的设备有时会使用相同的驱动程序，但此时我们也会为它们分配不同的主设备号，以便在系统中区分。例如：块设备和字符设备通常使用不同的主设备号，即使它们底层可能由同一个驱动程序管理。

以字符设备为例，有了驱动程序后，为设备提供驱动程序并注册进系统的通常流程是怎么样的？

这里以字符设备为例。
这里以字符设备为例。
这里以字符设备为例。

注意：不同的设备类型有不同的对应下面各步骤的函数，但流程基本上是一样的。
注意：不同的设备类型有不同的对应下面各步骤的函数，但流程基本上是一样的。
注意：不同的设备类型有不同的对应下面各步骤的函数，但流程基本上是一样的。

第一步是调用函数alloc_chrdev_region()获得可用的主设备号、次设备号。

示例代码如下：

dev_t dev;
ret = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 3, "my_device");

函数alloc_chrdev_region()的原型如下：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, const char *name);

参数解释

1. dev
   指向一个 dev_t 类型的变量，用于保存分配的设备号（包含主设备号和次设备号）。成功分配后，可以通过 MAJOR(dev) 和 MINOR(dev) 宏提取主设备号和次设备的起始号。

2. firstminor
   表示从哪个次设备号开始分配，一般设置为 0。

3. count
   表示需要分配的连续次设备号的数量。如果你需要多个次设备号，可以指定这个值（通常为 1 表示只分配一个设备号）。

4. name
   为设备指定一个名字，这个名字主要用于调试时显示（比如 /proc/devices 中会看到）。

alloc_chrdev_region 运行后，系统为我们将要注册的设备分配了：

1. 一个主设备号
   主设备号是系统在字符设备表中分配的唯一标识，用于将设备与驱动程序关联。

2. 一个连续的次设备号范围
   根据调用时指定的 count 参数，系统分配了一段连续的次设备号范围。

这意味着，分配完成后：

• 我们的设备对应的设备号范围是：
  (主设备号, 起始次设备号) 到 (主设备号, 起始次设备号 + count - 1)。
• 每个次设备号可以用来表示不同的设备实例，但它们共享相同的主设备号。

这里要特别注意：变量dev中保存的是系统为我们分享的主设备号和次设备的超始号，而不是所有的次设备号哈。

第二步是调用函数cdev_init()将描述字符设备的核心结构体cdev的实例和核心结构体file_operations的实例绑定起来

示例代码如下：

static struct cdev my_cdev; // 定义字符设备结构体
static struct file_operations my_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = my_open,.read = my_read,.write = my_write,.release = my_close,
};/* 核心结构体cdev和结构体file_operations的绑定 */
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);}

这里面涉及到两个重要的结构体，第一个是struct cdev 、另一个是 struct file_operations，下面进行介绍：

struct cdev 是 Linux 内核中的一个核心结构，用于表示字符设备的相关信息。

定义（简化版）

struct cdev {struct kobject kobj;                // 内核对象，用于 sysfs 集成const struct file_operations *ops; // 设备支持的操作集struct list_head list;             // 用于链接到内核的 cdev 列表dev_t dev;                         // 设备号unsigned int count;                // 管理的次设备号范围
};

从其简化版的定义中可以看出，结构体struct cdev的一个实例就把设备需要的最重要的信息描述完了：
cdev结构体的成员kobj这里暂时不展开叙述。

cdev结构体的成员ops实际上就是上面说到的两个重要结构体中的另一个 struct file_operations，它里面实际上就是设备能进行的具体行为的函数的集合，比如下面是一个 struct file_operations简化版的定义：
PS:完整定义请参考我的另一篇博文 https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/144905840

struct file_operations {struct module *owner;              // 指向模块的指针，防止模块卸载时被调用loff_t (*llseek)(struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);int (*open)(struct inode *, struct file *);int (*release)(struct inode *, struct file *);long (*unlocked_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long);...
};

从中我们可以看出它里面就集合了read、write、open、release这些真正涉及对设备底层操作的成员函数，这些函数其实才是某个设备驱动程序的核心。

cdev结构体的成员list_head list是用于链接到内核的 cdev 列表，这里不展开叙述。

cdev结构体的成员dev中存储了它的一个实例管理的设备号，包括主设备号和次设备号的起始号。

cdev结构体的成员count存储了次设备号的个数，通过dev中记录的次设备号的起始号和个数值，便知道了次设备号的范围。

从上面的描述可以看出，cdev结构体的一个实例确实是把设备需要的最重要的信息描述完了。而调用函数就是将其实例与结构体 struct file_operations的实例绑定起来，结构体 struct file_operations的实例中存储了设备能进行的具体行为的函数，比如了read、write、open这些函数。

第三步是调用函数cdev_add()将描述字符设备的核心结构体cdev的实例和设备号绑定起来

第一步中已经获取到了可用的主设备号和次设备号，这里就需要将描述字符设备的核心结构体cdev的实例与第一步中获取到的主设备号和次设备号信息填充上。
示例代码如下：

static dev_t dev;static struct cdev my_cdev; // 定义字符设备结构体static struct file_operations my_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = my_open,.read = my_read,.write = my_write,.release = my_close,
};// 向系统申请可用的主设备号和次设备号
ret = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 3, "my_device");/* 核心结构体cdev和结构体file_operations的绑定 */
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);/* 核心结构体cdev中写入设备号以及次设备号的个数 */
cdev_add(&my_cdev, dev, 3);....

在第二步中已经给出了核心结构体cdev的简化版：

struct cdev {struct kobject kobj;                // 内核对象，用于 sysfs 集成const struct file_operations *ops; // 设备支持的操作集struct list_head list;             // 用于链接到内核的 cdev 列表dev_t dev;                         // 设备号unsigned int count;                // 管理的次设备号范围
};

可见，这里面的第4个成员dev和第5个成员count便是设备号信息。所以这里需要调用函数cdev_add()向这个设备核心结构体写入设备号信息。

第四步调用函数class_create()创建设备类

设备类是内核设备模型中的一个抽象，用于将功能相似的设备分组，以便统一管理这些设备的属性和行为。通过设备类，我们可以轻松地在 /sys/class/ 下创建一个目录，并将设备文件与该类关联。
…这里未完待续…

第五步是调用函数device_create()创建设备文件

一个设备实例对就一个具体的设备文件，所以如果同一个驱动程序实例对应多个设备，便需要调用多次函数device_create()。

示例代码如下：

dev_t dev;
int ret = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 3, "my_device"); // 分配3个次设备号
if (ret < 0) {printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number\n");return ret;
}// 创建 cdev 并注册
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
ret = cdev_add(&my_cdev, dev, 3);
if (ret < 0) {printk(KERN_ERR "Failed to add cdev\n");unregister_chrdev_region(dev, 3);return ret;
}// 创建设备文件（多个次设备号，调用多次 device_create）
for (int i = 0; i < 3; i++) {// 为每个次设备号创建设备文件device_create(my_class, NULL, MKDEV(MAJOR(dev), MINOR(dev) + i), NULL, "my_device%d", i);
}

函数device_create()的介绍如下：

函数原型

struct device *device_create(struct class *cls, struct device *parent, dev_t devt,const struct attribute_group **groups, const char *devname);

参数解析：

1. my_class (struct class *):

   • 这是一个指向 class 结构体的指针，表示设备所属的类。类是 Linux 设备模型中的一个概念，用来将一组具有相似功能的设备分组在一起。设备类管理着设备对象的生命周期、sysfs 属性、设备文件的创建等。
   • 在例子中，my_class 是事先通过 class_create() 创建的类，可能类似于：

     my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
     

   • class_create() 用来创建设备类，它是 Linux 驱动程序中组织设备的基础。

2. NULL (struct device *):

   • 这个参数指定父设备。如果设备没有父设备，可以传递 NULL。大多数设备驱动程序的设备对象不需要父设备，所以这里通常会传递 NULL。
   • 父设备用于设备层次结构的管理，例如树形结构的设备关联。如果不需要设备层次结构，可以将其设为 NULL。

3. dev (dev_t):

   • 这是设备的主设备号和次设备号组成的 dev_t 类型值，表示具体的设备。
   • dev_t 是一个 32 位的值，其中低 20 位是次设备号，高 12 位是主设备号。例如，如果你用 alloc_chrdev_region() 分配了一个设备号，dev 就是该设备号。

4. **NULL (const struct attribute_group groups):

   • 这个参数是一个指向 attribute_group 结构体指针的指针，代表了设备的 sysfs 属性。如果不需要额外的 sysfs 属性，可以传递 NULL。
   • 在许多情况下，你可能不需要为设备创建额外的 sysfs 属性，尤其是简单的字符设备。因此，可以把它设为 NULL。

5. "my_device" (const char *):

   • 这是设备文件的名称，即最终会出现在 /dev/ 目录下的设备文件名。在这个例子中，设备文件的名称是 "my_device%d"，因此设备文件名为 /dev/my_device0、 /dev/my_device1、 /dev/my_device2。

返回值：

• device_create() 返回一个指向创建的 device 结构体的指针，该结构体表示内核中创建设备对象的元数据。
• 如果函数调用失败，它返回 NULL。

驱动程序编译好后通常是以模块的形式存在的，那么怎么加载这个模块？这个模块加载时从哪里执行？

请参看博文：
以一个实际例子来学习Linux驱动程序开发之“设备类”的相关知识 【搜索关键字“驱动模块加载代码”】

为什么驱动程序模块的C文件末尾要加上MODULE_LICENSE("GPL");

关于这个问题详细的介绍见我的另一篇博文
https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/144902881

驱动程序模块加载完成，完成设备实例化注册并创建了设备文件后，怎么调用设备？

这个最简单的例子例是之前的：
“IMX6ULL开发板基础实验:Framebuffer驱动程序的简单应用实例代码详细分析”
关键代码为：

 int fb_fd = open("/dev/fb0", O_RDWR);

这句代码就是把设备打开了，然后利用获得的文件描述符就可以操作设备了。