驅動程序：使硬件工作的軟件。
linux驅動程序的分類：
◎字符設備驅動（重點）
◎網絡接口驅動（重點）
◎塊設備驅動
1）字符設備：
字符設備是一種按字節來訪問的設備，字符驅動則負責驅動字符設備，這樣的驅動通
常實現open，close，read和write系統調用。
2）塊設備：
◎在大部分unix系統，塊設備不能按字節處理數據，只能一次傳送一個或多個長度是
512字節（或一個更大的2次冪的數）的整塊數據。
◎而Linux則允許塊設備傳送任意數目的字節。
因此塊和字符設備的區別：僅僅是驅動的接口函數與內核的接口函數不同。
3）網絡接口：
任何網絡事物都通過一個接口來進行，一個接口通常是一個硬件（eth0），但它也可以
是一個純粹的軟件設備，比如迴環接口（lo）。一個網絡接口負責發送和接收數據報文。
字符設備與塊設備：隨機訪問？塊設備隨機訪問，字符設備必須按順序訪問
驅動程序安裝方式：有兩種
◎ 模塊方式（已知）（insmod, rmmod）
◎直接編譯進內核
如何直接把驅動程序（內核模塊）編譯進內核？
需要修改兩個文件：Kconfig，Makefile（Kconfig用來產生配置菜單，到處有Kconfig）：
第一步：首先把驅動程序或內核模塊源文件（hello.c）放到內核源代碼相應的目錄下（根據
功能選擇目錄）（如drivers/char下）
第二步：修改Kconfig，修改所放源文件目錄下的Kconfig，在內核源代碼的頂層目錄執行：
vi drivers/char/Kconfig（打開Kconfig），然後在其中加上如下兩行代碼（照着寫）：
config HELLO_WORLD
Bool “helloworld”
第三步：通過make menuconfig ARCH=arm進入配置菜單，選中剛添加（要編譯進內核）
的項。配置結果體現在（.config）中，.config文件位於內核源代碼頂層目錄下，通
過 vi .config可以查看。可以看到：CONFIG_HELLO_WORLD=y
第四步：修改Makefile，修改所放源文件目錄下的Makefile。照着寫
obj-$(CONFIG_HELLO_WORLD) += hello.o (加上這一項，hello.c)
第五步：編譯內核。修改好後，回到內核源代碼頂層目錄執行如下命令編譯內核。：
male uImage ARCH=armCROSS_COMPILE=arm-linux-
***************************** hello.c代碼如下：**********************************
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
static int __init hello_init()
{
printk("hello world!\n");
return 0;
}
static void __exit hello_exit()
{
printk(KERN_EMERG "hello exit!\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
*****************************************************************************
編譯完成啓動內核的過程中，會打印出：Hello World！信息。因爲執行了模塊初始化函數。
__init標誌表示此函數將被放置到初始化代碼段；內核在啓動時，會依次調用初始化代碼段中的函數指針。__exit類似。
驅動程序使用：
linux用戶程序通過設備文件（也稱：設備節點）來使用驅動程序操作字符設備和塊設備（根據*fp找到在內核裏面對應的sturct file結構，從而找到相應的read，write函數）
網絡設備沒有設備文件，設備文件在dev目錄下面。
1、主次設備號
字符設備通過字符設備文件來存取。字符設備文件由使用ls –l命令後輸出的第一列的“c”標識。在dev目錄下使用ls –l命令可以看到設備文件項中有2個數字，由逗號分隔，這些數字就是設備文件的主次設備編號。前主後次。
1.1設備號的作用
思考：字符設備文件與字符設備驅動如何建立聯繫？——通過主設備號
設備文件所對應的主設備號和驅動程序所對應的主設備號相同的話，那麼這個驅動程序就對應這個設備文件。（設備文件的主設備號通過創建設定，驅動程序通過申請獲得）
主設備號：用來標識與設備文件相連的驅動程序。
次設備號：被驅動程序用來辨別操作的是哪個設備。
總結：主設備號用來反映設備類型；次設備號用來區分同類型的設備。
主次設備號的描述：內核描述
內核中通過類型dev_t來描述設備號，其實質是unsigned int 32位整數，其中高12位爲主設備號，低20位爲次設備號。
◎分離出主設備號MAJOR(dev_t dev)；
◎分離出次設備號MINOR(dev_t dev)
◎定義主次設備號dev_t devno = MKDEV(mem_major, mem_minor)
1.2分配主設備號
Linux內核通過靜態申請和動態分配兩種方法來給設備分配主設備號。
1.2.1靜態申請（簡單但易導致衝突）
方法如下：
1、根據Documentation/deices.txt，確定一個沒有使用的主設備號；
2、使用register_chrdev_region函數註冊設備號。
優點：簡單，
缺點：一旦驅動程序被廣泛使用，這個隨機選定的主設備號可能會導致設備號衝突，而使驅
動程序無法註冊。
原型：int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char* name)
功能：申請使用從from開始的count個設備號（主設備號不變，次設備號增加）
參數：from：希望申請使用的設備號
count：希望申請使用的設備號數目
name：設備名（體現在 /proc/devices）
1.2.2動態分配（簡單，但無法在安裝驅動前創建設備文件，因爲安裝前還沒有分配到主設備號）
方法如下：
使用 alloc_chrdev_region 分配設備號
原型：int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name)
功能：請求內核動態分配count個設備號，且次設備號從baseminor開始。
參數：dev：分配到的設備號位於dev指針所指向的內存中。，不需要填值，用於獲取值
baseminor：起始次設備號
count：需要分配的設備號數目
name：設備名（體現在 /proc/devices）
優點：簡單，易於驅動推廣
缺點：無法在安裝驅動前創建設備文件（因爲安裝前還沒有分配到主設備號）
解決辦法：安裝驅動後，從/proc/devices中查詢設備號，然後再創建設備文件。
1.3註銷設備號（不用時應該釋放這些設備號）
原型：void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count)
功能：釋放從from開始的count個設備號
2、創建設備文件——2種方法：
2.1、使用mknod命令手工創建
用法：mknod filename type major minor
參數：filename：設備文件名
type：設備文件類型“c”，“b”
major：主設備號
minor：次設備號
例如：mknod serial0 c 100 0 //設備文件的主次設備號是確定的，一個設備文件只能對應一個
設備。要操作哪個設備，首先要創建對應主次設備號的設備文件，再操作此設備文件。
2.2、自動創建——後面課程介紹
3、重要結構
在Linux字符設備驅動程序設計中，有三種非常重要的內核數據結構：
3.1、struct file：代表一個打開的文件。系統中每個打開的文件在內核空間都有一個關聯的struct file。它由內核在打開文件時創建，在文件關閉後釋放。（每打開一次創建一個）
重要成員：
loff_t f_pos /*文件讀寫位置*/
struct file_operations *f_op
3.2、struct inode：用來記錄文件的物理上的信息（如存放位置、設備號等）。因此它和代表打開文件的file結構是不同的，一個文件可以對應多個file結構，但只有一個inode結構。
重要成員：
dev_t i_rdev：設備號 //inode代表設備文件（設備節點）？
3.3、struct file_operations：一個函數指針的集合（更像一個轉化表），定義能在設備上進行的操作。結構中的成員指向驅動中的函數，這些函數實現一個特殊的操作，對於不支持的操作保留爲NULL。
struct file_operations mem_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_seek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.ioctl = mem_ioctl,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
思考：應用程序如何訪問驅動程序？
解析：當應用程序執行read系統調用，對設備文件進行讀的時候，驅動程序就會做出mem_read函數調用。當應用程序執行write系統調用，對設備文件進行寫的時候，驅動程序就會做出mem_write函數調用。把應用程序中對文件的操作轉化成驅動程序中相應的函數。（內核根據應用程序系統調用中傳遞的*fp指針找到在內核裏面對應的sturct file結構，從而找到驅動程序中相應的read，write函數）
4、設備註冊
在linux2.6內核中，字符設備使用struct cdev結構來描述。
字符設備的註冊分爲如下三個步驟：
4.1、分配cdev，分配空間：分配是對於指針而言，靜態的不需要分配
struct cdev的分配可使用cedv_alloc函數來完成。
原型：struct cdev *cdev_alloc(void)。分配完成後返回分配到的struct cdev函數指針
注意：如果cdev結構被定義爲靜態的，則不需要執行空間分配。
4.2、初始化cdev結構
struct cdev的初始化可使用cedv_init函數來完成。
原型：void cdev_init(struct cedv *cdev,const struct file_operations *fops)
參數：cdev：待初始化的cdev結構
fops：設備對應的操作函數集
4.3、添加cdev（即註冊字符設備驅動）
struct cdev的註冊可使用cedv_add函數來完成。
原型：int cdev_add(struct cdev *p,dev_t dev,unsigned count)
參數：p：待添加到內核的字符設備結構，要註冊的字符設備
dev：設備號，驅動程序對應的主設備號
count：添加的設備個數
5、設備操作（註冊完之後要實現struct file_operations結構中相關的設備操作）
◎1、int (*open)(struct inode *,struct file *) 對應open方法
在設備文件上的第一操作，可以不實現此方法，沒有（即該項爲NULL）時則認爲永
遠打開成功。
◎2、void (*release)(struct inode *,struct file *) 對應close方法
當設備文件被關閉時調用這個操作。release也可以沒有。
◎3、ssize_t(*read)(struct file *,char __user *,size_t,loff_t *)
從設備中讀取數據
◎4、ssize_t(*write)(struct file *,const char __user *,size_t,loff_t *)
向設備發送數據
◎5、unsigned int (*poll)(struct file *,struct poll_table_struct *)
對應select系統調用
◎6、int (*ioctl)(struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long)
控制設備
◎7、int (*mmap)(struct file *,struct vm_area_struct *)
將設備映射到進程虛擬地址空間中。
◎8、off_t(*llseek)(struct file *,loff_t,int)
修改文件的當前讀寫位置，並將新位置作爲返回值。
open方法：
open方法是驅動程序用來爲以後的操作完成初始化準備工作的。在大部分驅動程序中，open完成如下工作：
◎初始化設備，設置寄存器等。
◎標明次設備號，這樣驅動程序才知道操作哪個設備。/*將設備描述結構指針賦值給文
件私有數據指針，然後在讀寫操作函數中就能知道該操作哪個設備*/
release方法：
release方法的作用正好與open相反。這個設備方法有時也稱爲close，它應該：
◎關閉設備
讀和寫方法：
讀和寫方法都完成類似的工作：從設備中讀取數據到用戶空間；將數據傳遞給驅動程序。它們的原型也相當類似：
原型：ssize_t xxx_read(struct file *filp,char __user *buff,size_t count,loff_t *offp);
原型：ssize_t xxx_write(struct file *filp,char __user *buff,size_t count,loff_t *offp);
參數：對於這兩個方法，其參數含義如下：
filp是文件指針，內核構造後傳給此函數的
count是請求傳輸的數據量。來自用戶空間
buff參數指向數據緩存。來自用戶空間
offp支出文件當前的訪問位置。來自內核
問題：read和write方法的buff參數是用戶空間指針。因此，他不能被內核代碼直接引用。
理由如下：用戶控件的指針在內核空間可能根本是無效的——沒有那個地址的映射。
解決：內核提供了專門的函數用於訪問用戶空間的指針，例如：
寫：int copy_from_user(void *to,const void __user *from,int n)
數據從用戶空間放到設備裏面去
讀：int copy_to_user(void __user *to,const void *from,int n)
從設備裏面讀，數據從設備到用戶空間，
6、設備註銷：
當不再使用驅動程序的時候應該把驅動程序註銷掉。
字符設備的註銷使用cdev_del函數來完成。
原型：int cdev_del(struct cdev *p)
參數：p：要註銷的字符設備結構
[4-6-3]字符設備驅動程序實例分析 memdev.c memdev.h app-mem.c
[4-6-4]競爭與互斥
4.1 驅動調試技術：
對於驅動程序設計來說，核心問題之一就是如何完成調試。
當前常用的驅動調試技術可分爲：
◎打印調試：printk
◎調試器調試：gdb
◎查詢調試：proc文件系統
合理使用printk
應該使用全局打開或關閉printk打印的宏開關來控制是否使用printk。
#ifdef PDEBUG
#define PLOG(fmt,args…) printk(KERN_DEBUG “scull:”fmt,##args)
#else
#define PLOG(fmt,args…) /* do nothing */
#endif
Makefile做如下修改：
DEBUG=y
ifeq($(DEBUG),y)
DEBFLAGS = -O2 –g –DPDEBUG
else
DEBFLAGS = -O2
endif
CFLAFS +=$(DEBFLAGS)
4.2 併發控制：
4.2.1 概念：併發與競態
併發：多個執行單元同時被執行
競態：併發的執行單元對共享資源（硬件資源和軟件上的全局變量等）的訪問導致的競爭狀態
例：
if(copy_from_user(&(dev->data[pos]),buf,count))
ret = -EFAULT;
goto out;
假設有2個進程試圖同時向一個設備的相同位置寫入數據，就會造成數據混亂。
4.2.2 併發控制技術：
處理併發的常用技術是加鎖或者互斥，即確保在任何時候只有一個執行單元可以操作共享資源。在linux內核中主要通過semaphore機制和spin_lock機制實現。
4.2.2.1 信號量：
linux內核的信號量在概念和原理上與用戶態的信號量是一樣的，但是它不能在內核之外使用，它是一種睡眠鎖。如果有一個任務想要獲得已經被佔用的信號量時，信號量會將這個進程放入一個等待隊列，然後讓其睡眠。當持有信號量的進程將信號釋放以後，處於等待隊列中的任務將被喚醒，並讓其獲得信號量。
◎信號量在創建時需要設置一個初始值，表示允許可以有幾個任務同時訪問該信號量保護的資源，初始值爲1就變成互斥鎖（Mutex），即同時只能有一個任務可以訪問信號量保護的資源。
◎當任務訪問完被信號量保護的共享資源後，就必須釋放信號量，釋放信號量通過把信號量的值加1實現，如果釋放後信號量的值爲非正數，表明有任務等待當前信號量，因此要喚醒等待該信號量的任務。
信號量的使用
信號量的實現也是與體系結構相關的，定義在<asm/semaphonre.h>中，struct semaphore類型用來表示信號量。
1、定義信號量
◎struct semaphore sem;
2、初始化信號量
◎void sema_init(struct semaphore *sem,int val)
該函數用於初始化設置信號量的初值，它設置信號量sem的值爲val。
◎void init_MUTEX(struct semaphore *sem)
該函數用於初始化一個互斥鎖，即把信號量sem的值設置爲1。
互斥鎖的值只能爲0或者1
◎void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem)
該函數也用於初始化一個互斥鎖，但它把信號量sem的值設置爲0，
即一開始就處在已鎖狀態。
定義與初始化的工作可以由如下宏一步完成：
◎DECLARE_MUTEX(name)
定義一個信號量name，並初始化它的值爲1。
◎DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)
定義一個信號量name，但把它的初始值設置爲0，即鎖在創建時就處在已鎖狀態。
3、獲取信號量
◎void down(struct semaphore *sem)
獲取信號量sem，可能會導致進程睡眠，因此不能在中斷上下文使用該函數。該函數將
把sem的值減1，如果信號量sem的值非負，就直接返回，否則調用者將被掛起，直到
別的任務釋放該信號量才能繼續運行。
◎ int down_interruptible(struct semaphore *sem)
獲取信號量sem。如果信號量不可用，進程將被置爲TASK_INTERRUPTIBLE類型的睡
眠狀態。該函數由返回值來區分是正常返回還是被信號中斷返回，如果返回0，表示獲
得的信號量正常返回，如果被信號打斷，返回-EINTR。
◎down_killable(struct semaphore *sem)
獲取信號量sem。如果信號量不可用，進程將被置爲TASK_KILLABLE類型的睡眠狀態。
注：down（）函數現已不建議繼續使用。
建議使用down_killable（）或down_interruptible（）函數。
4、釋放信號量
void up(struct semaphore *sem)
該函數釋放信號量sem，即把sem的值加1，如果sem的值爲非正數，表明有任務在等
待該信號量，因此喚醒這些等待者。
4.2.2.2 自旋鎖
自旋鎖最多隻能被一個可執行單元持有。自旋鎖不會引起調用者睡眠，如果有一個執行線程試圖獲得一個已經被持有的自旋鎖，那麼線程就會一直進行忙循環，一直等待下去，在那裏看是否該自旋鎖的保持者已經釋放了鎖，“自旋”就是這個意思。
自旋鎖的使用
1、初始化自旋鎖
◎spin_lock_init(x)
該宏用於初始化自旋鎖x，自旋鎖在使用前必須先初始化。
2、獲取自旋鎖
◎spin_lock(lock)
獲取自旋鎖lock，如果成功，立即獲得鎖，並馬上返回，否則它將一直自旋在那裏，直
到該自旋鎖的保持者釋放。
◎spin_trylock(lock)
試圖獲取自旋鎖lock，如果能立即獲得鎖，並返回真，否則立即返回假。它不會一直等
待被釋放。
3、釋放自旋鎖
◎spin_unlock(lock)
釋放自旋鎖lock，它與spin_trylock或spin_lock配對使用。
4.2.2.3 信號量與自旋鎖對比
◎信號量可能允許有多個持有者，而自旋鎖在任何時候只能允許有一個持有者。當然也有
信號量叫互斥信號量（只有一個持有者），允許有多個持有者的信號量叫計數信號量。
◎信號量適合於保持時間較長的情況；而自旋鎖適合於保持時間非常短的情況，在實際應
用中自旋鎖控制的代碼只有幾行，而持有自旋鎖的時間也一般不會超過兩次上下文切換
的時間，因爲線程一旦要進行切換，就至少花費切出切入兩次，自旋鎖的佔用時間如果
遠遠長於兩次上下文切換，我們就應該選擇信號量。