广东工业大学操作系统实验：设备驱动开发基础的权威教程


参考资源链接：[广东工业大学 操作系统四个实验（报告+代码）](https://wenku.csdn.net/doc/6412b6b0be7fbd1778d47a07?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 操作系统与设备驱动概述

在现代计算机系统中，操作系统扮演着至关重要的角色，它不仅是用户和硬件之间的桥梁，而且也是管理计算机资源的核心软件。设备驱动是操作系统的一个关键组成部分，它允许操作系统和硬件设备进行通信。要理解设备驱动，首先需要掌握操作系统的基本工作原理，以及它与硬件设备之间的交互方式。

在深入探讨设备驱动开发之前，本章将简要介绍操作系统的基本概念，并概述设备驱动的定义、作用和重要性。我们将从操作系统如何管理硬件资源开始，讨论设备驱动作为操作系统和硬件之间接口的功能。本章的目的在于为读者提供一个坚实的基础，为后续章节中对Linux内核和设备驱动开发的学习打下基础。

接下来，我们将逐步深入：

- 操作系统的角色：它如何与硬件交互，以及驱动程序在这个过程中起到的作用。
- 设备驱动的基本概念：驱动程序的类型、结构以及它们在系统中的功能。
- 设备驱动与操作系统的交互：理解操作系统内核如何调用设备驱动程序，以实现对硬件设备的操作。

我们将用简单的术语和实例来阐述这些概念，确保即便是初学者也能理解设备驱动在操作系统中的作用。通过本章的学习，读者将能够掌握设备驱动开发的基础知识，并为后续章节中的深入探讨打下坚实的基础。

# 2. Linux内核基础知识

## 2.1 Linux内核结构解析

### 2.1.1 内核的分层模型

Linux操作系统的核心部分是其内核。一个内核的结构和组织，影响了系统的稳定性、性能、以及可维护性。Linux内核设计采用了分层模型，主要分为以下几个层次：

1. **硬件抽象层**：这是Linux内核与硬件交互的最底层，屏蔽了硬件平台的差异，为上层提供统一的硬件访问接口。
2. **进程调度和内存管理**：这一层负责管理进程的创建、销毁、调度及内存的分配和回收。进程调度负责决定哪个进程获得CPU时间，内存管理则涉及到物理内存和虚拟内存的管理。

3. **文件系统和设备驱动**：文件系统是操作系统中负责管理和存储文件的部分，设备驱动则用于管理各种硬件设备。

4. **系统调用和库函数接口**：这是内核和用户空间交互的接口。系统调用是用户空间访问内核功能的唯一方式，库函数在系统调用的基础上提供了更便捷、更高级的API。

### 2.1.2 主要子系统的作用和交互

Linux内核的子系统包括但不限于：

- **进程调度子系统（调度器）**：负责按照一定的策略选择进程运行。调度器的主要任务是决定哪个进程获得CPU的使用权，以及如何分配CPU时间。

- **内存管理子系统（MMU）**：Linux内核支持虚拟内存管理，负责将物理内存和虚拟内存关联起来，实现内存保护、共享、交换和缓存等功能。

- **文件系统子系统**：提供对磁盘存储设备的管理和对数据的组织、访问，支持多种不同的文件系统类型。

- **网络子系统**：处理网络通信，支持各种网络协议和网络设备驱动。

- **设备驱动子系统**：提供设备与系统间交互的接口，不同的设备驱动支持不同的硬件设备。

这些子系统之间相互协作，形成了一个高效、稳定的内核系统。它们相互之间的通信主要通过内核提供的接口函数实现。

## 2.2 Linux内核编程接口

### 2.2.1 系统调用和内核接口的区别

系统调用（System Call）和内核接口是用户空间程序与内核交互的两种主要方式：

- **系统调用**是用户空间程序与内核进行交互的唯一方式，是一种预定义的接口。程序通过执行特定的系统调用指令，请求内核提供服务，比如文件操作、进程创建等。

- **内核接口**则是内核内部各个组件之间相互调用的函数集合。这些接口对外是不公开的，主要用于内核模块之间的协作。

### 2.2.2 内核模块编程基础

内核模块是Linux内核支持的一种动态加载和卸载内核代码的机制。内核模块编程通常遵循以下步骤：

1. **编写Makefile**：内核模块需要一个Makefile来指定如何编译模块。

2. **加载和卸载模块**：使用`insmod`和`rmmod`命令来加载和卸载模块。模块加载后，可以在内核中注册自己，以便系统知道如何使用新模块提供的功能。

3. **编写模块初始化和清理函数**：通常在模块加载时会调用`module_init`宏指定的初始化函数，在卸载时调用`module_exit`宏指定的清理函数。

4. **注册和注销设备号、设备文件**：对于驱动模块来说，这一步骤是必须的。内核模块需要在加载时向内核注册设备号，并在卸载时注销。

下面是一个简单的内核模块加载和卸载代码示例：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A Simple Example Linux Kernel Module");
MODULE_VERSION("0.01");

static int __init example_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Example Module Initialized\n");
    return 0; // Non-zero return means that the module couldn't be loaded.
}

static void __exit example_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Example Module Exited\n");
}

module_init(example_init);
module_exit(example_exit);

在这个示例中，`example_init`函数是模块加载时执行的初始化函数，`example_exit`函数是模块卸载时执行的清理函数。通过`module_init`和`module_exit`宏来指定它们。

## 2.3 内核模块的编译和加载

### 2.3.1 Makefile编写和内核配置

内核模块的Makefile用于指定编译选项和依赖关系。一个典型的内核模块Makefile如下所示：

obj-m += example.o

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

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

这个Makefile文件定义了一个目标`obj-m`，表示需要构建的模块。`all`目标负责构建模块，`clean`目标用于清理构建文件。

内核模块编译通常依赖于内核的配置文件`.config`。这个配置文件定义了内核需要支持的功能和驱动。在编译模块之前，确保`.config`文件与当前内核版本相匹配是很重要的。

### 2.3.2 使用insmod和rmmod管理模块

`insmod`和`rmmod`是用于加载和卸载内核模块的两个命令。

- **insmod** 用于加载模块，需要指定模块文件名。例如：`insmod example.ko`，其中`example.ko`是内核模块的文件。

- **rmmod** 用于卸载已经加载的模块，也需要指定模块名称。例如：`rmmod example`。

这两个命令会分别调用模块提供的`module_init`和`module_exit`指定的函数。使用时需要有足够的权限（通常需要root权限）。

#### 示例操作步骤：

1. 编译内核模块，确保当前目录下有编译生成的`.ko`文件。
2. 使用`insmod`命令加载模块：

   insmod example.ko

3. 检查模块是否正确加载，可以通过`lsmod`命令查看当前加载的模块：

   lsmod | grep example

4. 模块加载后，可以通过`dmesg`命令查看模块加载时输出的信息：

   dmesg | tail

5. 使用`rmmod`命令卸载模块：

   rmmod example

6. 再次使用`lsmod`和`dmesg`命令确认模块是否已经卸载。

内核模块的管理和维护对于保证系统稳定运行至关重要。开发者需要熟练掌握相关命令和操作，以及对系统配置和依赖关系的理解。

# 3. 设备驱动开发理论

## 3.1 设备驱动的分类和功能

### 3.1.1 字符设备与块设备的区别

在Linux操作系统中，设备驱动是连接硬件设备和操作系统的桥梁。按照设备的I/O方式分类，设备驱动通常可以分为字符设备驱动和块设备驱动两大类。字符设备与块设备的区别主要体现在以下几个方面：

- **数据访问方式**：字符设备是按字符流的方式进行数据传输，即一次只能读取或写入一个字符的数据。而块设备则是以数据块为单位进行I/O操作。块设备通常用在对数据读写速度和顺序有要求的场景，如硬盘驱动器、SSD等，它们支持随机访问。

- **数据缓冲机制**：Linux内核为块设备提供了缓冲机制，允许系统对数据块进行缓冲处理，提高I/O效率。字符设备通常没有这样的缓冲机制，数据的读取和写入直接作用于硬件。

- **设备文件**：在Linux中，字符设备和块设备通过设备文件来访问。字符设备文件位于`/dev`目录下，文件权限中主设备号和次设备号分别标识了字符设备驱动和特定设备。块设备同样具有设备文件，但是它们使用的是`/dev/block`下的设备号。

- **应用层接口**：字符设备驱动通常通过标准的文件操作接口（如open, close, read, write等）提供服务，这些操作在文件系统的VFS层上已经标准化。块设备驱动则更多涉及到I/O调度，如电梯算法等。

### 3.1.2 网络设备驱动的特殊性

网络设备驱动与字符设备和块设备的驱动相比具有其特殊性，