之前的几篇文章（从i.MX6ULL嵌入式Linux开发1-uboot移植初探起)，介绍了嵌入式了Linux的系统移植（uboot、内核与根文件系统）以及使用MfgTool工具将系统烧写到板子的EMMC中。

本篇开始介绍嵌入式Linux驱动开发。

内容较多，先看目录：

1 Linux驱动分类

Linux中的外设驱动可以分为三大类：字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。

• 字符设备驱动：字符设备是能够按照字节流（比如文件）进行读写操作的设备。字符设备最常见，从最简单的点灯到I2C、SPI、音频等都属于字符设备驱动
• 块设备驱动：以存储块为基础的设备驱动，如EMMC、NAND、SD卡等。对用户而言，字符设备与块设备的访问方式没有差别。
• 网络设备驱动：即网络驱动，它同时具有字符设备和块设备的特点，因为它是输入输出是有结构块的（报文，包，帧），但它的块的大小又不是固定的。

2 Linux驱动基本原理

在Linux中一切皆文件，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”的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。

比如最简单的点灯功能，会有/dev/led这样的驱动文件，应用程序使用open函数来打开文件/dev/led，如果要点亮或关闭led，那么就使用write函数写入开关值，如果要获取led的状态，就用read函数从驱动中读取相应的状态，使用完成以后使用close函数关闭/dev/led这个文件。

2.1 Linux软件分层结构

Linux软件从上到下可以分层4层结构，以控制LED为例：

• 应用层：应用程序使用库提供的open函数打开LED设备

• 库：库根据open函数传入的参数执行“swi”指令，进而引起CPU异常，进入内核

• 内核：内核的异常处理函数根据传入的参数找到对应的驱动程序，返回文件句柄给库，进而返回给应用层

• 应用层得到文件句柄后，使用库提供的write或ioctl发出控制指令

• 库根据write或ioctl函数传入的参数执行“swi”指令，进入内核

• 内核的异常处理函数根据传入的参数找到对应的驱动程序

• 驱动：驱动程序控制硬件，点亮LED

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。当应用层通过open函数打开/dev/led 这个驱动时，因用户空间不能直接操作内核，因此会使用“系统调用”的方法来从用户空间“陷入”到内核空间，实现对底层驱动的操作。

比如应用程序调用了open这个函数，则在驱动程序中也应有一个对应的open的函数。

2.2 Linux内核驱动操作函数

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file_operations结构体，就是Linux内核驱动操作函数集合：

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);
/*省略若干行...*/
};
其中有关字符设备驱动开发中常用的函数有：

• owner：拥有该结构体的模块的指针，一般设置为THIS_MODULE。
• llseek函数：用于修改文件当前的读写位置。
• read函数：用于读取设备文件。
• write函数：用于向设备文件写入(发送)数据。
• poll函数：是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
• 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。
• compat_ioctl函数：与 unlocked_ioctl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。
• 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。
• open函数：用于打开设备文件。
• 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。
• 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。
• aio_fsync函数：与fasync功能类似，只是 aio_fsync 是异步刷新待处理的

2.3 Linux驱动运行方式

Linux 驱动有两种运行方式：

• 将驱动编译进Linux内核中， 这样当Linux内核启动的时候就会自动运行驱动程序。
• 将驱动编译成模块(扩展名为 .ko)， 在Linux内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块。

在驱动开发阶段一般都将其编译为模块，不需要编译整个Linux代码，方便调试驱动程序。当驱动开发完成后，根据实际需要，可以选择是否将驱动编译进Linux内核中。

2.4 Linux设备号

2.4.1 设备号的组成

Linux中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成。

• 主设备号：表示某一个具体的驱动
• 次设备号：表示使用这个驱动的各个设备

Linux 提供了名为dev_t的数据类型表示设备号，其本质是32位的unsigned int数据类型，其中高12位为主设备号，低2 位为次设备号，因此Linux中主设备号范围为0~4095。

在文件include/linux/kdev_t.h中提供了几个关于设备号操作的宏定义：

#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)

#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev)