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8.2 Linux 驱动开发概述

嵌入式系统的分类

SOC：通常内存较大，使用外部磁盘，大容量 Flash 或 EMMC，有 MMU，区分用户态和内核态，运行 Linux/Android/WinCE 等大型系统，应用程序与系统可分开编译，系统可动态安装程序，一般使用远程 GDB 和日志输出方式进行调试。开发分为 BSP、驱动、中间件、应用/UI 等。比如 Intel Atom 系列、ARM Cortex A 系列。

MCU：通常内存和 Flash 较小，无 MMU，不区分用户态和内核态，无系统或运行小型实时系统，应用程序与系统一起编译形成镜像进行烧录，通常采用 JTAG 等硬件调试器进行调试。开发不分家或分为系统、驱动、应用开发。比如 ARM Cortex M 系列、Atmel AVR 系列、TI MSP430 系列。

认识 Linux 系统

Linux 可运行于多种平台，比如个人电脑、Power PC 以及 ARM Cortex A 系列 SOC 上。

Linux 分为内核态和用户态，内核态为受保护的代码，用户态程序执行异常不会导致系统漰溃，是因为用户态只能执行用户权限指令，特权指令只能在内核态执行 (这是由硬件设计决定的)，且由于内核态的内存受到硬件保护，因此用户程序的溢出不会导致内核崩溃。内核态和用户态分离的目的就是为了保证系统的稳定，避免丰富的应用程序导致系统死机，而这种情况在 DOS 时期是很常见的。

由于驱动程序往往需要进行特权操作，比如直接操作物理内存，硬件寄存器，使用中断资源等，因此 Linux 系统的硬件驱动程序需要在内核态执行。Linux 的核心代码很小，在源代码中占大多数的为驱动程序或驱动程序框架。

为了适应不同类型设备的特征，Linux 内核驱动划分为多个子系统，比如：SPI 子系统、存储子系统、GPU 子系统等。每个子系统都为该类型设备而进行优化设计。同时，许多公司在子系统框架下还会按照自己的产品线构建下一级子系统。

嵌入式 Linux

嵌入式 Linux = SOC + Linux 开发

Linux 内核源代码目录结构

arch：包含和硬件体系结构相关的代码，每种平台占一个相应的目录，如 i386、ARM、PowerPC、MIPS 等。
arch/<arch>/configs：各种 defconfig 文件。
block：块设备驱动程序 I/O 调度。
Documentation：内核各部分的通用解释和注释。
drivers：设备驱动程序，每个不同的驱动占用一个子目录，如 char、block、net、mtd、i2c 等。
include：头文件，与系统相关的头文件被放置在 include/linux 子目录下。
kernel：内核的最核心部分，包括进程调度、定时器等，而和平台相关的一部分代码放在 arch/*/kernel 目录下。
lib：库文件代码。
net：网络相关代码，实现了各种常见的网络协议。
scripts：包含用于配置内核的脚本文件。
sound：ALSA、OSS 音频设备的驱动核心代码和常用设备驱动。

Linux 内核驱动开发的特点

由于驱动运行在内核态，任何错误都有可能导致内核崩溃，因此软件自量的要求很高。
开发时需要对驱动有所定位，需要清楚驱动在哪个子系统下，属于总线驱动还是设备驱动等。
内核除为驱动划分了各个子系统外，还将驱动进行了分类，比如：字符设备，块设备，网络设备，杂项设备等。
与用户态一样，内核中提供了很多同步异步，以及通讯机制，学习 Linux 内核驱动开发时应注意各 API 的学习。
Linux 的内核版本更新很快，不同版本间架构，API 等会有差异，应注意区分。
内核驱动可以与内核代码编译成一体，称为 Build In，也可以编译成独立模块。
学习时应注意区分驱动程序的入口，加载时机等。
内核源码中会使用大量的高级 C 语言宏操作，有些代码比较绕，通常先知道其用途，再深入学习原理。
Linux 内核源码使用 Linux 代码风格进行开发，代码风格应共同遵守。
缺少有效的调试手段，通常是打印输出日志，动态调试和设置断点等需要使用 SOC 专用硬件调试器来调试，授权费用很高。

hellodrv —— 一个简单的 Linux 内核模块

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int hello_init(void)
{
    printk(KERN_ALERT "hello driver enter\n");
    return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "hello driver exit\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_AUTHOR("rick.chan");
MODULE_DESCRIPTION("a simple hello world module");
MODULE_ALIAS("a simplest module");

其由 C 程序的 include、函数、变量以及诸多 MODULE_* 宏构成，这个程序里没有用户态程序的标准入口 main() 函数。程序的入口由 module_init() 定义，出口由 module_exit() 定义。

Makefile 文件如下：

obj-m:= \
    hellodrv.o

hellodrv-objs:= \
    hello_drv.o

EXTRA_CFLAGS += \
    -I$(PWD)

all:
    $(MAKE) -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
    $(MAKE) -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

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