目錄

0 引言

1 什么是Linux驅動？

2 Linux驅動程式需要掌握的內容

3 ARM處理器體系架構

4 ARM的前世今生

0 引言

前面Linux專題中關于Linux下系統編程總結了17篇博文，主要是為了提高Linux下的C編程應用能力，熟悉Linux編程應用環境，從此篇博文起開始Linux驅動的總結，后面計劃加一些綜合實踐專案練習，

1 什么是Linux驅動？

做過嵌入式的都知道裸機程式和帶作業系統的程式，這里就不展開講了，初學者最開始接觸的都是裸機程式，main中while大回圈跑天下，實際上，掌握了作業系統后，我們會發現基于作業系統的開發更高效，可以分工協作，A去開發應用層軟體，B去開發作業系統相關的，C去開發驅動程式，D做底層硬體，

說到這里，從頂層到底層正好是A到D的順序，驅動程式就是聯接作業系統和硬體之間的橋梁，驅動程式多半都是和硬體打交道的，如何讓硬體更好、穩定的運行起來，這就是看驅動程式的好壞了，它對上需要提供硬體操作的相關介面，對于頂層的應用軟體，無法直接調動硬體，是通過作業系統呼叫驅動程式提供的介面間接進行的，這樣各層各司其職，對于整體系統來說也更穩定可靠，假如每個應用都能直接操作硬體，那才是最大的隱患，

Linux驅動又具體包含三種：一般后兩種，處理器廠家都會提供BSP支持包，我們不需要做什么，開發中涉及最多的就是字符設備，

• 字符設備驅動：大部分都是字符設備，如GPIO、LED、串口、蜂鳴器、聲卡等
• 塊設備驅動：存盤設備，如U盤、硬碟、TF卡等
• 網路設備驅動：通信設備，如wifi、以太網等

2 Linux驅動程式需要掌握的內容

1）GPIO，通用輸入輸出口

單片機中只需要對暫存器進行設定操作就可以了，但在高端處理器中，就沒那么簡單了，

2）記憶體管理單元MMU

MMU是單片機和處理器的一個區別，普通的51單片機一般叫MCU（微控制器），ARM處理器一般叫MPU（微處理器），后者加入了記憶體管理單元，MMU是一種負責處理處理器的記憶體訪問請求的硬體，它的功能包括虛擬地址到物理地址的轉換（即虛擬記憶體管理）、記憶體保護、中央處理器高速快取的控制，在較為簡單的計算機體系結構中，負責總線的仲裁以及存盤體切換，

3）Linux中一切皆檔案

Linux中一切都被看成是檔案，把設備也看成檔案，所以字符設備驅動的編程路子就是做一組設備對應的驅動函式，使能能用open、read、write、ioctrl、close像操作檔案一樣進行操作，

4）設備節點

要想用戶行程與內核下的硬體進行通信，就需要建立一個設備節點，前面Linux系統編程時也是見過的，比如在開發板新插上一個U盤，使用fdisk -l指令查看，/dev/sda1就是我們新插U盤的一個設備節點，

5）上層應用如何操作外部設備

這個應該說是做嵌入式的一個常規操作了，簡單說下，大致思路基本都是一樣的，舉個很簡單例子，我們要用控制器的某個 IO 口開關蜂鳴器，該如何操作：首先根據原理圖確定是那個pin，然后去控制器的datasheet中查找操作這個IO口的對應暫存器，明確物理地址，然后根據手冊要求向該物理地址寫資料控制IO口輸出高低電平，進而控制了蜂鳴器的關斷，

寫到這里，是不是感覺和剛上大學時玩51單片機的套路差不多？是的，其實裸機程式中都是這么操作外設的，但是如果上了Linux，啟動了MMU，就不是直接對物理地址進行操作了，而是把物理地址先轉換為虛擬地址，然后對虛擬地址進行操作的，

6）底層驅動的撰寫方式，并注冊到系統（register_chrdev()）

7）MISC雜項設備（混雜設備）：簡化了驅動的撰寫

8）模塊（module）：驅動除錯時以模塊的形式進行驅動的加載和卸載

3 ARM處理器體系架構

ARM體系架構中區別于單片機的比較突出的體現在有了CACHE 高速快取和MMU 記憶體管理單元，ARM體系架構還是比較繁雜的，我們一步步說起，有些基礎的概念，就當是溫故學習了，

1） CPU中央處理器

CPU到現在都在遵循經典的 馮諾依曼存盤結構，CPU其實就是一堆數字電路，與門、或門、非門、觸發器等組成，這些單個拿出來都認識，放在一起就復雜了，每個處理器（51、PIC、ARM、X86）都有自己對應的一套指令系統，處理的數字電路就是對套指令系統進行決議，并不斷從存盤器中按順序取指令去執行，后來，在馮諾依曼結構基礎上，又有了創新的哈佛結構，取指令和取資料分開，可以同時進行，

擴展的點一下，評價一個處理器一般從四方面：頻率、性能（MIPS/MHz，MIPS指的是每秒能夠處理的指令數）、功耗、面積，

2）指令系統

可以把它看成是一套API，一個軟硬體的分界面，這是在計算機系統體系結構中比較重要的思想，對于軟體開發人員，只需要知道指令系統就行，知道每一條指令的作用，直接呼叫指令去實作要操作的功能，至于怎么實作這個操作的，不需要自己掌握；對于處理器設計人員，需要做的是把指令決議，執行，

指令系統分兩類：RISC 經典指令集和CISC復雜指令集，早期的處理器如8051、X86用的是CISC，ARM、MIPS、PowerPC等都是用的RISC，RISC指的是每條指令執行的時間相同，指令長度相同，為什么后期會有RISC呢？存在即合理，RISC的指令執行時間和指令長度相同的特點，便于實作流水線，可以使一些多項操作在時間上進行重疊進行，便于提高系統的主頻，進而提高處理性能，

3）Cache高速快取

Cache高速快取，是CPU與記憶體之間的高速存盤子系統，作用就是為了提高CPU訪問記憶體的速度，高速快取一般是SRAM，記憶體一般是DRAM，后者成本較低些，

為什么說高速快取的存在提高CPU訪問存盤器的速度？原理是這樣的，CPU存取資料首先到高速快取中去找，若找到的話直接就用，沒有的話就會到存盤器中去找，同時這部分指令或相關的資料會放到記憶體中，CPU下次再存取資料的話，就直接能從高速快取中獲取了，總體上提高了系統性能，提高了存盤器的平均訪問速度，使存盤器的速度和CPU的速度匹配，

既然高速快取速度這么快（一般CPU訪問速度是暫存器>高速快取>記憶體），那么CPU直接集成大點的高速快取不就OK了嗎，為什么還有額外配置記憶體呢？答案就是它貴啊，采用CPU+高速快取+記憶體的架構性價比較高，也不僅僅是貴的問題，另外，比較重要的一點是，處理器和存盤器的性能差距每年大約在以50%d的速度增大，像CPU每18個月其性能都會翻一番，但是存盤器發展速度就沒那么快了（跟器件工藝相關性比較大），所以采用這種架構很好的平衡了這兩點，

4）記憶體管理單元MMU

記憶體管理單元實作了虛擬地址到物理地址的轉換，ARM上面跑Linux系統，編程用的地址都是虛擬地址，物理地址到虛擬地址的轉換是通過ioremap函式實作的，MMU其實就是維護下面這樣一個映射表格，ioremap通過查找這個映射表實作虛擬地址到物理地址的轉換，

MMU主要應用方面的作用包括：輔助實作虛擬記憶體、輔助實作多任務管理，

虛擬存盤器的空間大小取決于處理器的訪存能力，不是實際外存的大小，比如ARM處理器有32、64位系統，32位系統2^32=4G，說明處理器有能力訪問4G記憶體的范圍，也就是程式開發人員可以操作的記憶體范圍是4G的，就算實際記憶體有8G，也只能操作4G的空間，這就是為什么我們PC機8G的記憶體，一般都是裝的64位系統的原因，否則就是浪費硬體嘛，

虛擬記憶體可以實作既具有外存的容量（PC機中的硬碟、ARM系統中的EMMC/FLASH），又有接近記憶體的訪問速度的效果，

4 ARM的前世今生

ARM全名Advanced Risc Machines,Ltd，ARM公司是1990年成立的，這個公司牛的是自己并不產芯片，是設計公司，只提供IP，處理器的設計方案，ARM芯片廠商需要從ARM手里買IP核做自己的ARM芯片，主要ARM芯片廠商有哪些？我們常見的：

外企：SAMSUNG、TI、Freescale、Intel、NXP、Atmel

國產：聯發科、華為、瑞芯微、全志，現在IC國產化興起，還有很多國內公司，像中科芯、紫光展銳等，

ARM處理器的架構（指的是結構設計）從V3發展到V8，這里的架構不是具體的產品，類似于設計框架，具體的產品像ARM7、ARM8、ARM11、Cortex的A/R/M系列，下面是網路上找的一張圖，參考下，發展的時間線也是這樣走的，ARM處理器目標就是做出低功耗、低成本的方案，其大量使用了暫存器、指令長度固定，具有領先的性能和功耗，

目前主流的Cortex系列，包含了A、R、M、Secure四個分支，A 系列是性能最強悍的，面向平板電腦應用等，可以說對標 X86了；R系列面向實時處理場景，像工業控制、汽車領域；M系列性價比較高，一般民用、消費品等；Secure系列主要面向安全產品，可以看出ARM公司基本把所有的領域都覆寫了，這個公司還是比較可怕的，

作于202104062140，已歸檔

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