linux设备驱动原理与本质

任何计算机系统都是软件和硬件的结合体，如果只有硬件而没有软件，则硬件是没有灵魂的躯壳；如果只有软件没有硬件，则软件就是一堆无用的字符。在底层硬件的基础上，操作系统覆盖一层驱动，屏蔽底层硬件的操作，通过特定的软件接口去操作底层硬件，用户在用户空间可以很容易的把软件设计目标放在策略与需求上，可以很方便的屏蔽掉底层实现，从而很好的完成客户功能需求。计算机系统是软件和硬件的结合体。而软件又分为应用层软件和驱动层软件。驱动层软件是应用层软件和底层硬件的纽带。通过驱动层软件实现对底层硬件屏蔽。

在裸机时代，比如单片机系统，程序员往往是直接操作硬件寄存器，直接设置硬件。而在Linux操作系统中，硬件驱动程序中实现对硬件直接操作，而用户空间，通过通用的系统调用接口，实现对硬件操作，应用程序没有直接操作底层设备，通过posix标准，应用程序的系统调用往往是被规定和限值，用户只能通过规定的接口实现对底层硬件的操作，导致了应用程序在类UINIX操作系统具有非常好的可移植性。

图2.1 直接操作硬件程序

上图2.1 是裸机时代，应用程序和硬件操作糅合在一起，应用程序和硬件操作高度耦合的框图，上述代码一般很难有良好的代码互用和移植性。往往从一个平台移植到另一个平台，甚至是同一平台不同硬件配置都要求很大的代码改动，另外从应用层来说，应用与驱动高度耦合，应用程序也几乎难以移植，甚至说是没有应用程序概念，原因在于应用与驱动的纠缠不清。

图2.2 无操作系统应用程序和设备驱动程序关系

上图2.2所示，良好的裸机代码框架，设备驱动层和应用层之间有良好的分层思想，用户可以较好的实现策略和需求，例如：客户要求实现流水灯程序，程序员在底层机制实现（硬件操作）的基础下，可以充分在用户应用程序中把主要精力方法流水灯的实现，即策略。但是在良好的裸机程序设计，代码移植性可能从一个平台移植到另外一平台只需要修改少量的底层驱动，例如：LED_ON（）的实现。但是在用户空间，没有系统调用概念，函数接口千差万别。应用程序移植性差。

图2.3 Linux系统调用框图

操作系统中，需求决定应用程序，通过系统调用，调用底层驱动，此外，在驱动程序中，把一部分公用的驱动接口抽象出来，如此，程序员只需修改很少量的驱动资源，形成特定的驱动框架。导致用户只需添加专用的硬件属性作为平台资源，在内核中获取资源，大大解放了设备驱动开发，提高了设备驱动的通用型。在用户空间，由于遵循posix标准，类UNIX操作系统中，所有操作接口基本一样，从而方便了应用程序的移植，应用程序几乎不要做修改。如图2.3所示。

Linux操作系统对于所有的硬件都是当做一个文件来操作：一切设备皆文件。Linux设备文件一般分为字符设备，块设备，网络设备。在Linux系统中，除了网络设备之外，所有的设备都被映射到Linux的文件系统中。如图2.4所示。

图2.4 Linux操作系统与应用程序关系