一、Linux device driver 的概念
系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用 程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能:
1、对设备初始化和释放；
2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；
3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；
4、检测和处理设备出现的错误。
在Linux操作系统下有三类主要的设备文件类型，一是字符设备，二是块设备，三是网络设备。字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请 求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果 不能，就调用请求函数来进行实际的I/O操作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的CPU时间来等待。
已经提 到，用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还是块设备?另外每个文件都有两个设备号，第 一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从设备号，标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用从设备号来区分他们。设备文件 的的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到驱动程序。
最后必须提到的是，在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度。也就是说，系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环，不幸的是你只有重新启动机器了，然后就是漫长的fsck。
二、实例剖析
我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序。
由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作方式不外乎就是一些系统调用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构：
struct file_operations {
int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int);
int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int);
int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *);
int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long);
int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode * ，struct file *);
int (*release) (struct inode * ，struct file *);
int (*fsync) (struct inode * ，struct file *);
int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int);
int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *);
int (*revalidate) (dev_t dev);
}
这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write操作时，系统调用通过设备文件的主设 备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样， 则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域。
下面就开始写子程序。
#include
基本的类型定义
#include 文件系统使用相关的头文件
#include
#include
#include
unsigned int test_major = 0;
static int read_test(struct inode *inode，struct file *file，char *buf，int count)
{
int left; 用户空间和内核空间
if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )
return -EFAULT;
for(left = count ; left > 0 ; left--)
{
__put_user(1，buf，1);
buf++;
}
return count;
}
这个函数是为read调用准备的。当调用read时，read_test()被调用，它把用户的缓冲区全部写1。buf 是read调用的一个参数。它是用户进程空间的一个地址。但是在read_test被调用时，系统进入核心态。所以不能使用buf这个地址，必须用 __put_user()，这是kernel提供的一个函数，用于向用户传送数据。另外还有很多类似功能的函数。请参考，在向用户空间拷贝数据之前，必须 验证buf是否可用。这就用到函数verify_area。为了验证BUF是否可以用。
static int write_test(struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count)
{
return count;
}
static int open_test(struct inode *inode，struct file *file )
{
MOD_INC_USE_COUNT; 模块计数加以，表示当前内核有个设备加载内核当中去
return 0;
}
static void release_test(struct inode *inode，struct file *file )
{
MOD_DEC_USE_COUNT;
}
这几个函数都是空操作。实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。
struct file_operations test_fops = {?
read_test，
write_test，
open_test，
release_test，
};
设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块 (modules)，如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。
int init_module(void)
{
int result;
result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops); 对设备操作的整个接口
if (result < 0) {
printk(KERN_INFO "test: cant get major number\n");
return result;
}
if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */
return 0;
}
在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参 数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行操作的函数的指针。
如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。
void cleanup_module(void)
{
unregister_chrdev(test_major，"test");
}
在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。
一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。
下面编译 :
$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c –c表示输出制定名，自动生成.o文件
得到文件test.o就是一个设备驱动程序。
如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后
ld ?-r ?file1.o ?file2.o ?-o ?modulename。
驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。
$ insmod ?–f ?test.o
如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的主设备号。要卸载的话，运行 :
$ rmmod test
下一步要创建设备文件。
mknod /dev/test c major minor
c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat /proc/devices
就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是从设备号，设置成0就可以了。
我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。
#include
#include
#include
#include
main()
{
int testdev;
int i;
char buf[10];
testdev = open("/dev/test"，O_RDWR);
if ( testdev == -1 )
{
printf("Cannt open file \n");
exit(0);
}
read(testdev，buf，10);
for (i = 0; i < 10;i++)
printf("%d\n"，buf[i]);
close(testdev);
}
编译运行，看看是不是打印出全1 ？
以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。上述给出了一个简单的字符设备驱动编写的框架和原理，更为复杂的编写需要去认真研究LINUX内核的运行机制和具体 的设备运行的机制等等。希望大家好好掌握LINUX设备驱动程序编写的方法。