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一、軟件操作硬件設(shè)備模型

在進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，在常做的事情就是驅(qū)動(dòng)配置硬件設(shè)備，然后根據(jù)功能需求使用硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)功能的邏輯。如下圖為其相互之間的關(guān)系。

如上圖所示：

驅(qū)動(dòng)程序：主要作為操作和配置硬件設(shè)備，使得硬件設(shè)備能夠正常進(jìn)行工作。例如，在寫(xiě)點(diǎn)燈程序時(shí)，前提條件是從原理圖了解到LED等與CPU/MCU之間的硬件連接（使用了哪一個(gè)GPIO口），驅(qū)動(dòng)程序的作用就是初始化配置GPIO口，使得GPIO口能夠進(jìn)行工作，比如現(xiàn)在配置為推完輸出模式。GPIO能夠正常工作之后，那么就需要進(jìn)行基本的操作了，即燈亮和等滅。這就是驅(qū)動(dòng)程序。

應(yīng)用程序：當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序能夠時(shí)間基本的燈亮和燈滅，那么是需要實(shí)現(xiàn)跑馬燈，還是各種花樣的燈的顯示，這就由應(yīng)用程序來(lái)決定了。

硬件設(shè)備能夠接受CPU/MCU通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行的操作，或者是能夠?yàn)镃PU/MCU提供有效的數(shù)據(jù)。

二、Linux系統(tǒng)軟件操作硬件模型

對(duì)于Linux操作系統(tǒng)而言，因其系統(tǒng)的強(qiáng)大和所支持功能的完善，可支持各種設(shè)備在Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行。所以設(shè)備的類(lèi)型可謂繁多，如：字符設(shè)備，塊設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，USB設(shè)備，PCI設(shè)備，平臺(tái)設(shè)備，混雜設(shè)備……等等，而設(shè)備類(lèi)型不同，也意味著其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序模型不同。即每一種類(lèi)型的設(shè)備，都有其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模型。

但總體而言，既然都是運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備，所以其應(yīng)當(dāng)存在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)備。如下圖：

如上圖，對(duì)于Linux操作系統(tǒng)而言，用戶(hù)空間的應(yīng)用程序和內(nèi)核空間的驅(qū)動(dòng)程序，有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，但卻又相互獨(dú)立。他們通過(guò)文件的方式進(jìn)行相互之間的通信。而驅(qū)動(dòng)程序則是依賴(lài)于Linux內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)進(jìn)行編寫(xiě)的程序，為用戶(hù)空間的應(yīng)用程序提供相應(yīng)的接口通道。而設(shè)備操作程序則是在Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)架構(gòu)下進(jìn)行與設(shè)備直接交互的程序代碼，比如配置初始化CPU私有外設(shè)，初始化硬件設(shè)備，對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行基本操作等等，總之目的是讓硬件設(shè)備能夠正常的工作。

那么在Linux系統(tǒng)中編寫(xiě)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)模型是怎樣的呢？？

如上圖：

初始化內(nèi)核驅(qū)動(dòng)：依賴(lài)于Linux內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)模型，建立所需要操作的設(shè)備驅(qū)動(dòng)并進(jìn)行相應(yīng)的操作。如下圖：

實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作：根據(jù)硬件設(shè)備的型號(hào)、功能特性等，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備正常工作，能夠進(jìn)行基本的操作，比如讀取設(shè)備數(shù)據(jù)或者向設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)等。

注銷(xiāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)：在Linux系統(tǒng)中，會(huì)存在設(shè)備熱拔插或者用戶(hù)不想使用相應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景，那么可以將相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)在內(nèi)核空間注銷(xiāo)，將不能使用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

三、Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型

對(duì)于Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)而言，任何一種設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型都會(huì)用Linux內(nèi)核中的一種結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行描述。

對(duì)于字符設(shè)備確定而言，在Linux內(nèi)核中使用struct cdev結(jié)構(gòu)來(lái)描述。其結(jié)構(gòu)原型如下：

對(duì)于Linux內(nèi)核給出的描述設(shè)備的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)成員并不是都是由程序員使用的，有些結(jié)構(gòu)成員由內(nèi)核內(nèi)部使用，有些結(jié)構(gòu)成員有程序員使用。比如以上struct cdev結(jié)構(gòu)中，由程序員使用的成員為unsigned int count; 、dev_t dev;和const struct file_operations *ops;。

【unsigned int count;】：其表示設(shè)備的數(shù)目/數(shù)量，在同一個(gè)系統(tǒng)中，可能存在多個(gè)相同的設(shè)備，那么不需要每一個(gè)設(shè)備就為其提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)，而是統(tǒng)一提供同一個(gè)驅(qū)動(dòng)，只需要在驅(qū)動(dòng)中識(shí)別出是操作哪一個(gè)設(shè)備即可。Count結(jié)構(gòu)成員的作用就是記錄這一個(gè)驅(qū)動(dòng)中存在多少個(gè)設(shè)備。

【dev_t dev;】：表示這個(gè)設(shè)備的設(shè)備號(hào)，在Linux操作系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)備號(hào)的方式來(lái)進(jìn)行區(qū)分不同是設(shè)備。

【const struct file_operations *ops;】：設(shè)備驅(qū)動(dòng)操作的函數(shù)集/方法集。這個(gè)方法集為上層應(yīng)用程序提供相應(yīng)的接口通道。實(shí)現(xiàn)用戶(hù)空間的操作函數(shù)與內(nèi)核空間的操作實(shí)現(xiàn)一一映射關(guān)系。

四、Linux操作系統(tǒng)中硬件的操作方式

有句話(huà)叫做“對(duì)于Linux而言，一切皆文件”，所以對(duì)于在用戶(hù)空間的應(yīng)用程序而言，在面向硬件設(shè)備的操作時(shí)，也是通過(guò)文件的方式進(jìn)行操作。操作相應(yīng)的設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)，就等同于操作了其設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)備。

硬件設(shè)備相關(guān)的設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)存放于/dev目錄下。如下圖：

如上圖所示，/dev目錄下的文件節(jié)點(diǎn)均為對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)備的設(shè)備文件。例如：ttyS0設(shè)備文件為PC臺(tái)式機(jī)默認(rèn)的9針串口設(shè)備節(jié)點(diǎn)。所以對(duì)相應(yīng)設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)的讀寫(xiě)操作即是對(duì)其所對(duì)應(yīng)的硬件進(jìn)行讀寫(xiě)操作。