Linux設備驅(qū)動程序與編寫應用程序的本質(zhì)區(qū)別

Linux驅(qū)動程序的開發(fā)與應用程序的開發(fā)有很大的區(qū)別，這些差別導致了編寫Linux設備驅(qū)動程序與編寫應用程序的本質(zhì)區(qū)別。

Linux操作系統(tǒng)分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。內(nèi)核態(tài)完成與硬件的交互，比如讀寫內(nèi)存、將硬盤上的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存等。驅(qū)動程序在底層與硬件交互，因此工作在內(nèi)核態(tài)。用戶態(tài)可以理解為上層的應用程序，可以是Java應用程序、Qt應用程序、Python應用程序等。Linux操作系統(tǒng)分成兩種狀態(tài)的原因是，即使用戶態(tài)的應用程序出現(xiàn)異常，也不會導致操作系統(tǒng)崩潰，而這一切都歸功于內(nèi)核態(tài)對操作系統(tǒng)有很強大的保護能力。

另一方面，Linux操作系統(tǒng)分為兩個狀態(tài)的原因主要是為應用程序提供一個統(tǒng)一的計算機硬件抽象。工作在用戶態(tài)的應用程序完全可以不考慮底層的硬件操作，這些操作由內(nèi)核態(tài)程序來完成。而這些內(nèi)核態(tài)程序大部分是設備驅(qū)動程序。應用程序可以在不了解硬件工作原理的情況下，很好地操作硬件設備，同時不會使硬件設備進入非法狀態(tài)。

值得注意的是，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)是可以互相轉(zhuǎn)換的。每當應用程序執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用或者被硬件中斷掛起時，Linux操作系統(tǒng)都會從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài);當系統(tǒng)調(diào)用完成或者中斷處理完成后，操作系統(tǒng)會從內(nèi)核態(tài)返回到用戶態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行應用程序。

模塊是可以在運行時加入內(nèi)核的代碼，這是Linux一個很好地特性，這個特性可以使內(nèi)核很容易得擴大或縮小，擴大內(nèi)核可以增加內(nèi)核的功能，縮小內(nèi)核可以減少內(nèi)核的大小。Linux內(nèi)核支持多種模塊，驅(qū)動程序就是其中最重要的一種，每一個模塊由編譯好的目標代碼組成，使用insmod命令將模塊加入正在運行的內(nèi)核，使用rmmod命令將一個未使用的模塊從內(nèi)核刪除。

模塊在在內(nèi)核啟動時裝載稱為靜態(tài)裝載，在內(nèi)核已經(jīng)運行時裝載稱為動態(tài)裝載。模塊可以擴充內(nèi)核所期望的任何功能，但通常用于實現(xiàn)設備驅(qū)動程序。

一個模塊的最基本框架代碼如下：

想要駕馭Linux驅(qū)動開發(fā)，必須深刻理解Linux總線設備驅(qū)動框架。之所以會形成這樣的框架，主要是為了代碼的可重用性，因為驅(qū)動和設備的關系是一對多的。正如主設備號和次設備號之分，主設備號表示驅(qū)動程序，次設備號表示具體的設備。

另外是為了提高驅(qū)動的可移植性，Linux把驅(qū)動要用到的資源(如GPIO和中斷等)剝離給設備去管理。即在設備里面包含其自己的設備屬性，還包括了其連接到SOC所用到的資源。而驅(qū)動重點關注操作的流程和方法。

總線的作用則是在軟件層面對設備和驅(qū)動進行管理。設備要讓系統(tǒng)感知自己的存在，設備需要向總線注冊自己;同樣地，驅(qū)動要讓系統(tǒng)感知自己的存在，也需要向總線注冊自己。設備和總線在初始化時必須要明確自己是哪種總線的。因此，為了達到操作一致性，Linux發(fā)明了一種虛擬的總線，稱為Platform總線。

多個設備和多個驅(qū)動都注冊到同一個總線上，那設備怎么找到最適合自己的驅(qū)動呢，或者說驅(qū)動怎么找到其所支持的設備呢?這個也是由總線負責，總線就像是一個紅娘，負責在設備和驅(qū)動中牽線。設備會向總線提出自己對驅(qū)動的條件(最簡單的也是最精確的就是指定對方的名字了)，而驅(qū)動也會向總線告知自己能夠支持的設備的條件(一般是型號ID等，最簡單的也可以是設備的名字)。

設備在注冊的時候，總線就會遍歷注冊在它上面的驅(qū)動，找到最適合這個設備的驅(qū)動，然后填入設備的結(jié)構(gòu)成員中;驅(qū)動注冊的時候，總線也會遍歷注冊在其之上的設備，找到其支持的設備(可以是多個，驅(qū)動和設備的關系是1:N)，并將設備填入驅(qū)動的支持列表中。我們稱總線這個牽線的行為是match。牽好線之后，設備和驅(qū)動之間的交互紅娘可不管了。