第五章：Linux驱动介绍5.1 驱动原理：LINUX提供标准接口函数给底层，底层驱动按照LINUX编程规则进行驱动编写。

操作系统是通过各种驱动程序来驾驭硬件设备的，它为用户屏蔽了各种各样的设备，驱动硬件是操作系统最基本的功能，并且提供统一的操作方式。

设备驱动程序是内核的一部分，硬件驱动程序是操作系统最基本的组成部分，在Linux内核源程序中也占有60%以上。

因此，熟悉驱动的编写是很重要的.Linux内核中采用可加载的模块化设计（LKMs，Loadable Kernel Modules），一般情况下编译的Linux内核是支持可插入式模块的，也就是将最基本的核心代码编译在内核中，其他的代码可以编译到内核中，或者编译为内核的模块文件（在需要时动态加载）。

5.2 内核模块的主要相关命令◆lsmod：列出当前系统中加载的模块，其中左边第一列是模块名，第二列是该模块大小，第三列则是使用该模块的对象数目。

◆rmmod:是用于将当前模块卸载。

◆insmod和modprobe是用于加载当前模块，但insmod不会自动解决依存关系，即如果要加载的模块引用了当前内核符号表中不存在的符号，则无法加载，也不会去查在其他尚未加载的模块中是否定义了该符号；modprobe可以根据模块间依存关系以及/etc/modules.conf文件中的内容自动加载其他有依赖关系的模块。

5.3 设备分类Linux系统的设备分为三类：字符设备--（包含一个混杂设备）、块设备和网络设备。

字符设备通常指像普通文件或字节流一样，以字节为单位顺序读写的设备，如并口设备、虚拟控制台等。

字符设备可以通过设备文件节点访问，它与普通文件之间的区别在于普通文件可以被随机访问（可以前后移动访问指针），而大多数字符设备只能提供顺序访问，因为对它们的访问不会被系统所缓存。

但也有例外，例如帧缓存(framebuffer)是一个可以被随机访问的字符设备。

块设备通常指一些需要以块为单位随机读写的设备，如IDE硬盘、SCSI硬盘、光驱等。

块设备也是通过文件节点来访问，它不仅可以提供随机访问，而且可以容纳文件系统（例如硬盘、闪存等）。

Linux可以使用户态程序像访问字符设备一样每次进行任意字节的操作，只是在内核态内部中的管理方式和内核提供的驱动接口上不同。

$ ls –l /devcrw-rw---- 1 root uucp 4, 64 08-30 22:58 ttyS0 /*串口设备, c表示字符设备*/ brw-r----- 1 root disk 8, 0 08-11 23:03 sda /*硬盘设备，b表示块设备*/ 5.4 设备驱动程序工作原理模块在调用insmod命令时被加载，此时的入口点是init_module()函数，通常在该函数中完成设备的注册。

同样，模块在调用rmmod命令时被卸载，此时的入口点是cleanup_module()函数，在该函数中完成设备的卸载。

在设备完成注册加载之后，用户的应用程序就可以对该设备进行一定的操作，如open()、read()、write()等，而驱动程序就是用于实现这些操作，在用户应用程序调用相应入口函数时执行相关的操作。

5.5 应用程序、库、内核、驱动程序的关系：4层软件关系如下：1.应用程序通过open函数打开设备文件；2.库根据open函数执行swi中断，引起异常进入内核；3.内核根据异常相关参数（应用程序传递的）找到相应驱动程序，并返回一文件句柄给库；4.库根据文件句柄，触发库提供的write或ioclt函数（函数相关参数由应用程序提供）执行swi触发异常后进入内核；5.内核根据传递的相关参数调用驱动程序相关函数进行相关操作，如点亮led等。

5.6 LINUX驱动程序开发步骤：1.查看原理图、数据手册，了解设备的操作方法；2.在内核中找到相近的驱动程序，以它为模块进行开发，有时候需要从零开始；3.实现驱动程序的初始化：比如向内核注册这个驱动程序，这样应用程序传入文件名时，内核才能找到相应的驱动程序；4.设计所要实现的操作，比如open、close、read、write等函数；5.实现中断服务（中断并不是每个设备驱动所必须的）。

6.编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载；7.测试驱动程序。

5.7 驱动程序的加载和卸载：可以将驱动程序静态编译进内核中，也可以将它作为模块在使用时再加载。

在配置内核时，如果某个配置项设为m，就表示它将会被编译成一个模块。

在linux2.6内核中，模块的扩展名为.ko，可以使用insmod 命令加载，使用rmmod命令卸载，使用lsmod命令查看内核中已经加载了哪些模块。

当使用insmod加载模块时，模块的初始化函数被调用，它用来向内核注册驱动程序；当使用rmmod卸载模块时，模块的清除函数被调用。

在驱动代码中，这两个函数要么取固定的名字：init_module和5.8关键概念5.8.1 不可剥夺型（non-preemptive kernel）:（分时操作系统内核）要求每个任务主动放弃CPU的使用权。

优点：响应中断快；几乎无须使用信号量保护共享数据，运行中的任务占有CPU，而不必担心被别的任务抢占。

缺点：响应时间，高优先级的任务已经进入就绪态，但还不能运行，要等，直到当前运行着的任务释放CPU。

5.8.2 可剥夺型内核（preemptive kernel）:（实时操作系统内核）最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的使用权。

当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入就绪态时，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，更高优先级的任务立刻得到了CPU的使用权。

如果是中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的任务开始运行。

可剥夺型内核使得任务级响应时间得以最优化。

5.8.3 可重入函数：可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据被破坏。

可重入函数任何时候都可以被中断，一段时间以后又可以运行，而相应的数据不会丢失。

可重入函数或者只使用局部变量，即变量保存在CPU寄存器中或堆栈中；或者使用全局变量，则要对全局变量予以保护。

（一个函数被多个任务调用时，每个任务都有自己独立的栈函数存放该函数运行的中间变量）。

5.8.4 资源：任何被任务所占用的实体都可称为资源。

资源可以是输入/输出设备，也可以是一个变量，一个结构或一个数组。

5.8.5 共享资源：可以被一个以上使用的资源叫做共享资源。

为了防止数据被破坏，每个任务在与共享资源打交道时，必须独占该资源。

这叫做互斥（mutual exclusion）。

5.8.6 代码的临界段也称为临界区，指处理时不可分割的代码。

一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打入。

为确保临界段代码的执行不被中断，在进入临界段之前必须关中断，而临界段代码执行完后，要立即开中断。

5.8.7 实时系统的特点如果逻辑和时序出现偏差，将会引起严重后果。

有两种类型的实时系统：1.软实时系统：系统的宗旨是使各个任务尽快的运行，而不要求限定某一任务在多长时间内完成；如uc/os操作系统。

2.硬实时系统：各个任务不仅须执行无误，而且要做到准时。

像VxWorks通过硬件完成（例如通过定时器等方式），优先级高任务先执行，且每个任务执行时间可以指定。

大多数实时系统是两者的结合。

如uc/os中可以通过中断发生来改变任务运行状态（任务切换）就是一种硬件机制来完成。

5.8.8 死锁：也称为抱死（deadlock或deadly embrace），指两个任务无限期的相互等待对方控制着的资源。

最简单的防止死锁的方法，让每个任务都：（1）先得到全部需要的资源，再做下一步的工作；（2）用同样的顺序申请多个资源；（3）释放资源时，使用相反的顺序（按啥顺序得到，就按啥顺序释放，和中断进栈、出栈类似）。

内核通过定义等待超时来化解死锁-当等待时间超过了某一确定值，而信号量还是无效状态时，就会返回某种形式的出现超时错误的代码。

这个出错代码告知该任务，不是得到了资源使用权，而使系统错误。

5.8.9 Linux将进程状态描述为如下五种：TASK_RUNNING：可运行状态。

处于该状态的进程能被调度执行而成为当前进程。

TASK_INTERRUPTIBLE：可中断的睡眠状态。

处于该状态的进程在所需资源有效时被唤醒，也能通过信号或定时中断唤醒。

TASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中断的睡眠状态。

处于该状态的进程仅当所需资源有效时被唤醒。

TASK_ZOMBIE：僵尸状态。

表示进程结束且已释放资源，但其task_struct（任务结构体）仍未释放。

相当于进程已经结束，但在内核的任务表里面还有相应的结构资源。

TASK_STOPPED：暂停状态。

处于该状态的进程通过其他进程的信号才能被唤醒。

如果处于暂停状态的进程被其它进程唤醒，但资源没有到位，那么就进入睡眠状态。

5.8.10 linux内核的三种调度方法：1.SCHED_OTHER 分时调度策略;（各任务时间片平均分配，linux2.4以前的内核）2.SCHED_FIFO实时调度策略，先到先服务；（各任务谁优先级高，先运行谁,linux改进版本，要付费的）3.SCHED_RR实时调度策略，时间片轮转(同优先级就可以按时间分片，不是同优先级按实时调度）（如linux2.6版本，半实时操作系统）。

实时进程将得到优先调用，实时进程根据实时优先级决定调度权值，分时进程则通过nice（优先级）和counter（个数，时间片）值决定权值，nice越小（优先级越高），counter越大，被调度的概率越大，也就是曾经使用了cpu最少的进程将会得到优先调度。

SHCED_RR和SCHED_FIFO的不同：当采用SHCED_RR策略的进程的时间片用完，系统将重新分配时间片，并置于就绪队列尾。

放在队列尾保证了所有具有相同优先级的RR任务的调度公平。

SCHED_FIFO一旦占用cpu则一直运行。

一直运行直到有更高优先级任务到达或自己放弃。

如果有相同优先级的实时进程（根据优先级计算的调度权值是一样的）已经准备好，FIFO时必须等待该进程主动放弃后才可以运行这个优先级相同的任务。

而RR可以让每个任务都执行一段时间。

相同点：1）RR和FIFO都只用于实时任务。

2）创建时优先级大于0(1-99)。

3）按照可抢占优先级调度算法进行。

4）就绪态的实时任务立即抢占非实时任务。

（SCHED_FIFO是实时，一个任务在执行，相同优先级其它任务不能执行；SHCED_RR是实时，同优先级协商式，一个任务在执行，相同优先级可以同时以时间片方式执行）。

5.8.11 所有任务都采用linux分时调度策略时:1.创建任务指定采用分时调度策略，并指定优先级nice值(-20~19)。