设备驱动程序设计笔记1

【设备驱动程序设计笔记1】 设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的重要桥梁，它是一个软件层，负责将操作系统提供的抽象接口（如VFS中的open、read、lseek、ioctl等）转换为具体针对硬件的指令，使硬件能够响应操作系统的控制。设备驱动的设计通常包括以下几个方面： 1. **设备驱动定义**：设备驱动程序实现了设备与操作系统之间的交互，它通过一组函数接口，如open用于打开设备，read用于从设备读取数据，write用于向设备写入数据，ioctl用于执行特定设备控制命令等。这些函数是操作系统对设备的操作入口，由设备驱动程序实现细节。 2. **模块化设计**： - **模块定义**：在Linux中，模块是指可以在运行时加载到内核中的代码片段。 - **模块优点**：模块化设计带来了诸多好处，包括代码的动态加载和卸载、平台无关性、内存节省以及无性能损失。动态加载允许在需要时增加功能，而无需重启系统；平台无关性意味着模块可以在不同硬件平台上运行；仅在使用时加载模块可以减少内存占用；一旦模块被链接到内核，其执行效率与静态链接的内核代码相同。 - **模块组成**：每个模块应包含加载和卸载函数，如hello_init和hello_exit，以及模块许可证声明。模块还可以有参数、导出符号以及作者信息等。 3. **Hello World模块示例**： - **printk的使用**：在内核编程中，printk类似于C库中的printf，用于输出调试信息。由于内核运行时不能依赖C库，因此使用printk来代替。 - **加载与卸载函数**：`__init`和`__exit`宏分别标记初始化和清理函数，模块加载时调用初始化函数，卸载时调用清理函数。使用module_init和module_exit宏指定对应函数。 - **Makefile**：Makefile定义了编译和链接模块的规则，例如，使用module_param声明模块参数，并通过make指令构建模块。 4. **关键数据结构**： - **struct file**：代表一个打开的文件，由内核在调用open时创建。当文件被打开时，内核创建一个file结构，直到所有打开该文件的描述符都被关闭，file结构才会被释放。file结构并不等同于用户空间的FILE，它不包含用户空间的I/O缓冲。 - **struct inode**：表示文件本身，无论文件是否打开，inode都存在。对于设备文件，inode中的dev_t rdev字段包含了真实的设备号。如果文件是字符设备，inode的i_cdev字段指向对应的字符设备结构。 5. **模块加载与参数**： - **模块加载方式**：模块可以直接编译进内核，或者在内核运行时通过insmod动态加载，使用rmmod卸载。 - **模块参数传递**：insmod加载模块时可以传递参数，也可在模块内部声明默认值，使用module_param宏定义模块参数及其访问权限。 在编写设备驱动程序时，理解这些基本概念和机制至关重要，它们构成了驱动程序与操作系统核心交互的基础。通过模块化设计，开发者可以灵活地为不同的硬件设备编写驱动程序，实现设备在操作系统中的无缝集成。同时，掌握关键的数据结构，如struct file和struct inode，有助于深入理解文件操作和设备管理的内部原理。