Linux设备驱动深度解析：入门到实践详解

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"《深入浅出Linux设备驱动编程》是一本面向Linux设备驱动初学者的入门书籍，作者宋宝华通过本书，旨在帮助读者理解和掌握Linux设备驱动开发的基本原理和技术。书中详细讲解了Linux内核模块、字符设备驱动程序、并发控制、设备的阻塞与非阻塞操作、异步通知、中断处理、定时器、内存与I/O操作等内容。它将理论与实践紧密结合，采用结构化的学习方式，便于理解和实践。书中的主要内容包括： 1. 引言部分，阐述了Linux软件工程师的两种角色——应用软件工程师和固件工程师，强调了固件工程师，特别是设备驱动编程的挑战，如需要内核知识、硬件理解、并发控制的复杂性以及调试的难度。 2. Linux内核模块讲解了如何将用户空间的代码加载到内核中，这是设备驱动的基础。 3. 从字符设备驱动程序开始，逐步深入到并发控制、同步和互斥机制，这些是保证设备驱动稳定性和性能的关键。 4. 设备的阻塞与非阻塞操作涉及了I/O操作的模式，有助于理解何时选择哪种操作模式以提高效率。 5. 异步通知部分，介绍了如何在设备间传递事件，提升用户体验和系统的响应速度。 6. 中断处理是驱动程序的重要组成部分，它允许设备在完成任务后自行通知内核，避免了不必要的CPU占用。 7. 定时器在设备驱动中扮演着周期性任务执行的角色，如定时器中断服务函数。 8. 内存与I/O操作则探讨了设备驱动如何正确地分配和管理内存，以及数据在CPU和硬件之间的传输。 9. 结构化设备驱动程序章节，强调了良好的编程组织和模块化设计的重要性。 10. 复杂设备驱动部分，涵盖了处理复杂硬件特性和高级功能的技巧。尽管《Linux Device Drivers》这本书是经典之作，但作者意识到它的实例可能过于复杂，可能会分散读者的注意力。《深入浅出Linux设备驱动编程》试图提供更易于理解的实例，以便读者能够专注于驱动程序的核心概念，减少背景知识的学习负担。这是一本适合Linux设备驱动新手和有一定基础者阅读的实用指南，通过本书，读者不仅能掌握设备驱动开发的基础，还能提高对Linux内核工作原理的深入理解。"

}

return sizeof(int);

}

static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t

*off)

{

//将用户空间的数据复制到内核空间的 global_var

if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))

{

return - EFAULT;

}

return sizeof(int);

}

module_init(globalvar_init);

module_exit(globalvar_exit);

运行

gcc –D__KERNEL__ -DMODULE –DLINUX –I /usr/local/src/linux2.4/include -c –o

globalvar.o globalvar.c

编译代码，运行

inmod globalvar.o

加载 globalvar 模块，再运行

cat /proc/devices

发现其中多出了“254 globalvar”一行，如下图：

4.设备驱动中的并发控制

在驱动程序中，当多个线程同时访问相同的资源时（驱动程序中的全局变量是一种典型

的共享资源），可能会引发“竞态”，因此我们必须对共享资源进行并发控制。Linux 内核中

解决并发控制的最常用方法是自旋锁与信号量（绝大多数时候作为互斥锁使用）。

自旋锁与信号量“类似而不类”，类似说的是它们功能上的相似性，“不类”指代它们在

本质和实现机理上完全不一样，不属于一类。

自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环

查看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，“自旋”就是“在原地打转”。而信号量则引起调

用者睡眠，它把进程从运行队列上拖出去，除非获得锁。这就是它们的“不类”。

但是，无论是信号量，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，即在任何时

刻最多只能有一个执行单元获得锁。这就是它们的“类似”。

鉴于自旋锁与信号量的上述特点，一般而言，自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它

可以在任何上下文使用；信号量适合于保持时间较长的情况，会只能在进程上下文使用。如

果被保护的共享资源只在进程上下文访问，则可以以信号量来保护该共享资源，如果对共享

资源的访问时间非常短，自旋锁也是好的选择。但是，如果被保护的共享资源需要在中断上

下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。

与信号量相关的 API 主要有：

定义信号量

struct semaphore sem;

初始化信号量

void sema_init (struct semaphore *sem, int val);

该函数初始化信号量，并设置信号量 sem 的值为 val

void init_MUTEX (struct semaphore *sem);

该函数用于初始化一个互斥锁，即它把信号量 sem 的值设置为 1，等同于 sema_init (struct

semaphore *sem, 1)；

void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);

该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量 sem 的值设置为 0，等同于 sema_init

(struct semaphore *sem, 0)；

获得信号量

void down(struct semaphore * sem);

该函数用于获得信号量 sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文使用；

int down_interruptible(struct semaphore * sem);

该函数功能与 down 类似，不同之处为，down 不能被信号打断，但 down_interruptible

能被信号打断；

int down_trylock(struct semaphore * sem);

该函数尝试获得信号量 sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回 0，否则，

返回非 0 值。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。

释放信号量

void up(struct semaphore * sem);

该函数释放信号量 sem，唤醒等待者。

与自旋锁相关的 API 主要有：

定义自旋锁

spinlock_t spin;

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Linux设备驱动深度解析：入门到实践详解

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