摘要：搞嵌入式有两个方向，一个是嵌入式软件开发（MCU方向），另一个是嵌入式软件开发（Linux方向）。其中，MCU方向基本是裸机开发和RTOS开发，而Linux开发方向又分为驱动开发和应用开发。相较于驱动开发，应用开发相对简单一些，因为搞驱动你要和Linux内核打交道。而我们普通的单片机开发就是应用开发，和Linux开发没多大区别，单片机你去调别人写好的库，Linux应用你也是调别人的驱动程序。

很多人学习的路线是：单片机到RTOS，再到Linux，这个路线其实是非常好，循序渐进。因为你学了单片机，所以你对RTOS的学习会很容易理解，单片机+RTOS在市面上也可以找到一个很好的工作。因为你学了RTOS，你会发现Linux驱动开发其实和RT-Thread的驱动程序非常像，其实RT-Thread驱动大概率可能是仿Linux驱动而写的。所以，如果你现在在学RT-Thread，那么你后面去搞Linux驱动也是非常容易上手。

当然，做驱动去之前你还是要学习一下ubuntu操作系统、ARM裸机和linux系统移植，其目的就是为学习嵌入式linux驱动开发做准备。话不多说，先来一个hello驱动程序

在Linux中，驱动分为三大类：

• 字符设备驱动

• 字符设备驱动是占用篇幅最大的一类驱动，因为字符设备最多，从最简单的点灯到 I2C、SPI、音频等都属于字符设备驱动的类型。

• 块设备驱动

• 块设备和网络设备驱动要比字符设备驱动复杂，就是因为其复杂所以半导体厂商一般都给我们编写好了，大多数情况下都是直接可以使用的。

• 所谓的块设备驱动就是存储器设备的驱动，比如 EMMC、NAND、SD 卡和 U 盘等存储设备，因为这些存储设备的特点是以存储块为基础，因此叫做块设备。

• 网络设备驱动

• 网络设备驱动很好理解，不管是有线的还是无线的，都属于网络设备驱动的范畴。一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如 USB WIFI，其使用 USB 接口，所以属于字符设备，但是其又能上网，所以也属于网络设备驱动。

我使用的Linux内核版本为 4.1.15，其支持设备树Device tree。开发板是正点原子送的Linux-MINI板，你用其他家的板子也是一样的，没有任何影响。

1. 字符设备驱动简介

字符设备是Linux驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、IIC、SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

那么在Linux下的应用程序是如何调用驱动程序的呢？Linux 应用程序对驱动程序的调用如图所示：

在Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在/dev目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为/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。写驱动的人必须要懂linux内核，因为驱动程序就是根据内核的函数去写的，写应用的人不需要懂linux内核，只需要熟悉驱动函数就可以了。比如现在有个叫做/dev/led的驱动文件，是led灯的驱动文件。应用程序使用open函数来打开文件/dev/led，使用完成以后使用close函数关闭/dev/led 这个文件。open和 close 就是打开和关闭led驱动的函数，如果要点亮或关闭led，那么就使用write 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开led的控制参数。如果要获取led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。应用程序运行在用户空间，而Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用open函数打开/dev/led这个驱动，因为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。open、close、write 和read等这些函数是由C库提供的，在Linux系统中，系统调用作为C库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程，如下图所示：

其中关于C库以及如何通过系统调用“陷入”到内核空间这个我们不用去管，我们关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了open这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为open的函数。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，我们可以将linux内核文件下载下来，然后用source insight打开看看。内容如下所示：点击此处下载linux内核源码：

struct file_operations {

 struct module *owner;

 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 *);

 ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);

 ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);

 int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);

 unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

 long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

 long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

 int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

 int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);

 int (*open) (struct inode *, struct file *);

 int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);

 int (*release) (struct inode *, struct file *);

 int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);

 int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);

 int (*fasync) (int, struct file *, int);

 int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

 ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);

 unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

 int (*check_flags)(int);

 int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);

 ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);

 ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);

 int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);

 long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,

     loff_t len);

 void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);

#ifndef CONFIG_MMU

 unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);

#endif

};

• 第 1589 行，owner 拥有该结构体的模块的指针，一般设置为THIS_MODULE。

• 第 1590 行，llseek函数用于修改文件当前的读写位置。

• 第 1591 行，read函数用于读取设备文件。

• 第 1592 行，write函数用于向设备文件写入(发送)数据。

• 第 1596 行，poll是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。

• 第 1597 行，unlocked_ioctl函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的ioctl函数对应。

• 第 1598 行，compat_ioctl函数与unlocked_ioctl函数功能一样，区别在于在64位系统上，32位的应用程序调用将会使用此函数。在32位的系统上运行32位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。

• 第 1599 行，mmap函数用于将将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如LCD驱动的显存，将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。

• 第 1601 行，open 函数用于打开设备文件。

• 第 1603 行，release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。

• 第 1604 行，fasync 函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。

• 第 1605 行，aio_fsync函数与 fasync 函数的功能类似，只是aio_fsync是异步刷新待处理的数据。

2. 字符设备驱动开发

学习裸机或者STM32的时候关于驱动的开发就是初始化相应的外设寄存器，在Linux驱动开发中肯定也是要初始化相应的外设寄存器，这个是毫无疑问的。只是在Linux驱动开发中我们需要按照其规定的框架来编写驱动，所以说学Linux驱动开发重点是学习其驱动框架。

2.1 APP打开的文件在内核中如何表示

APP使用open函数打开文件时，可以得到一个整数，这个整数被称为文件句柄。对于APP的每一个文件句柄，在内核里面都有一个struct file与之对应。

struct file

我们使用open打开文件时，传入的 flags、mode等参数会被记录在内核中对应的struct file结构体里(f_flags、f_mode)：

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

去读写文件时，文件的当前偏移地址也会保存在struct file结构体的f_pos成员里。

open->struct file

打开字符设备节点时，内核中也有对应的struct file注意这个结构体中的结构体：struct file_operations *f_op，这是由驱动程序提供的。

驱动程序的 open/read/write

结构体struct file_operations的定义如下，上面也讲过了。

2.2 编写驱动程序的步骤

• 1、确定主设备号，也可以让内核分配。

• 2、定义自己的file_operations结构体。

• 3、实现对应的drv_open/drv_read/drv_write等函数，填入file_operations结构体。

• 4、把file_operations结构体告诉内核：register_chrdev。

• 5、谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数。

• 6、有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，出口函数调用unregister_chrdev。

• 7、其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点：class_create，device_create。

2.3 试验程序编写

应用程序调用open函数打开hello_drv这个设备，打开以后可以使用write 函数向hello_drv的写缓冲区writebuf中写入数据（不超过 100 个字节），也可以使用read函数读取读缓冲区readbuf中的数据操作，操作完成以后应用程序使用close函数关闭chrdevbase设备。

hello_drv.c

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

/* 1. 确定主设备号*/

static int major = 200;

static char kernel_buf[1024];

static struct class *hello_class;

#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)

/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体  */

static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)

{

 int err;

 printk("%s %s line %dn", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

 err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));

 return MIN(1024, size);

}

static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)

{

 int err;

 printk("%s %s line %dn", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

 err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));

 return MIN(1024, size);

}

static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)

{

 printk("%s %s line %dn", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

 return 0;

}

static int hello_drv_close (struct inode *node, struct file *file)

{

 printk("%s %s line %dn", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

 return 0;

}

/* 2. 定义自己的file_operations结构体*/

static struct file_operations hello_drv = {

 .owner  = THIS_MODULE,

 .open    = hello_drv_open,

 .read    = hello_drv_read,

 .write   = hello_drv_write,

 .release = hello_drv_close,

};

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                */

/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */

static int __init hello_init(void)

{

 int retvalue;

 

 printk("%s %s line %dn", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

 retvalue = register_chrdev(major, "hello_drv", &hello_drv);  /* /dev/hello */

 if(retvalue < 0){

  printk("chrdevbase driver register failedrn");

 }

 printk("chrdevbase init!rn");

 return 0;

}

/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数*/

static void __exit hello_exit(void)

{

 printk("%s %s line %dn", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

 unregister_chrdev(major, "hello_drv");

}

/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点   */

module_init(hello_init);

module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("zhiguoxin");

2.4 测试程序编写

驱动编写好以后是需要测试的，一般编写一个简单的测试APP，测试APP运行在用户空间。测试APP很简单通过输入相应的指令来对hello_drv设备执行读或者写操作。

hello_drv_test.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

/*
app测试
./hello_drv_test -w www.zhiguoxin.cn
./hello_drv_test -r
*/
int main(int argc, char **argv)
{
 int fd;
 char buf[1024];
 int len;
 
 /* 1. 判断参数 */
 if (argc n", argv[0]);
  printf("       %s -rn", argv[0]);
  return -1;
 }

 /* 2. 打开文件 */
 fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
 if (fd == -1)
 {
  printf("can not open file /dev/hellon");
  return -1;
 }

 /* 3. 写文件或读文件 */
 if ((0 == strcmp(argv[1], "-w")) && (argc == 3))
 {
  len = strlen(argv[2]) + 1;
  len = len