为什么计算机硬件需要驱动程序?操作系统和硬件之间的桥梁是谁?
我们都知道显卡不装驱动程序显卡不能正常工作，在计算机系统中，硬件设备的操作和控制需要通过驱动程序来实现，驱动程序在操作系统和硬件设备之间起到桥梁连接的作用。本文将从为何需要安装驱动程序开始，以Linux 系统中的 LED 驱动为例，逐步解释驱动程序的本质，以及操作系统是如何调用到驱动程序，并展示编写 ARM Linux LED 驱动的具体步骤和代码。
为什么硬件设备正常工作需要驱动程序？
计算机系统中存在着各种不同类型的硬件设备，例如打印机、显示器、网络接口卡等。这些设备通常由不同的制造商生产，因而其工作原理和通信协议也可能各不相同。为了实现操作系统与这些硬件设备的良好协作，需要一个中间层来处理硬件细节，提供一个标准的接口供操作系统和应用程序使用，这就是驱动程序的作用。应用程序通过操作系统调用到驱动程序，从而实现操控硬件，所以驱动程序中必然是操作硬件的具体细节代码。
驱动程序的本质
驱动程序本质上是一段软件代码，它建立了硬件设备与操作系统之间的桥梁。通过这个桥梁，操作系统可以通过通用的接口调用，而无需关心硬件设备的底层细节。驱动程序通过向操作系统提供标准的命令和函数，使得应用程序可以方便地与硬件设备进行交互。
这里我们以Linux系统设备驱动为例来说明一下。
在 Linux 系统中，驱动程序是内核的一部分，它们以模块的形式存在。内核模块是一种可以在运行时加载和卸载的代码，允许将驱动程序动态地添加到内核中。Linux 驱动程序通常由一系列的回调函数组成，这些函数定义了驱动程序与内核之间的接口。
驱动程序在Linux系统中的位置上图中绿色部分就是驱动程序，我们可以看到，应用程序Application通过调用操作系统内核提供的系统调用接口(System call Interface)，系统调用通过虚拟文件系统(VFS)提供的设备文件找到对应的驱动程序模块，从而调用到驱动程序中对应的操作函数，从而实现操控硬件。
应用程序如何访问到驱动程序？
open详细过程这里我们以Linux字符设备为例，来详细说明一下应用程序是如何访问到驱动程序的。
如上图，应用程序比如要实现打开某一个字符设备的操作，那应用程序中必须调用系统调用open函数，并提供设备文/dev/led。
1.open系统调用通过字符设备文件(/dev/led)找到inode
2.根据inode的信息创建file
3.根据inode中成员i_mode 确定设备类型 c(mknod创建inode，并将c主次设备号，文件名等信息存入到inode中)
4.根据inode中成员i_rdev 确定设备号，根据设备号可以找到 cdev结构体(内核中好多字符设备，每个字符设备对应一个cdev结构体)
5.将找到的cdev结构体指针存入 inode成员i_cdev中
6.将找到的cdev 中 成员 ops(file_operation) 地址给 file中成员f_ops
7.open 根据 file中的 f_ops找到驱动中的file_opertions,这样就可以调用其中对应的open
所以驱动是以模块的形式放入内核，然后实现file_operation中对应的这些接口来为上层应用调用到。驱动中需要实现的这些接口函数代码就是操作硬件的细节代码，细节代码和硬件相关性很大。
记住一句话：应用程序是通过主设备号对应上驱动程序的。
ARM Linux LED 驱动程序样例
Linux 应用程序通过系统调用接口与设备驱动程序进行通信。对于字符设备，常见的系统调用包括 open、write、read、ioctl、close 等。应用程序通过这些系统调用向设备驱动发出命令，实现对硬件设备的控制。
以下是一个我写的完整的可运行的led驱动代码。如果你没学过linux驱动肯定看不懂全部代码，不过没关系，我只是借用这个代码来讲解一下驱动程序到底是要写什么。
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/io.h>
#define LED_ON _IO('C',0)
#define LED_OFF _IO('C',1)
#define GPX2CON 0x11000c40
#define GPX2DAT 0x11000c44
static int led_major = 0;
struct led_dev{
struct cdev led_cdev;
dev_t devnum;
volatile unsigned int *gpx2con;
volatile unsigned int *gpx2dat;
}led_dev;
int led_open(struct inode * inodep, struct file *filep)
{
printk("led device opened !\n");
return 0;
}
int led_close(struct inode *inodep, struct file *filep)
{
printk("led device closed\n");
return 0;
}
ssize_t led_read(struct file *filep, char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff)
{
return 0;
}
ssize_t led_write(struct file *filep , const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff)
{
return 0;
}
long led_ioctl(struct file *filep, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
switch(cmd){
case LED_ON:
iowrite32(ioread32(led_dev.gpx2dat) | (0x1 << 7), led_dev.gpx2dat);
break;
case LED_OFF:
iowrite32(ioread32(led_dev.gpx2dat) & (~(0x1 << 7)), led_dev.gpx2dat);
break;
default:
return -EINVAL;
}
return 0;
}
struct file_operations led_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = led_open,
.release = led_close,
.read = led_read,
.write = led_write,
.unlocked_ioctl = led_ioctl
};
static int led_init(void)
{
int result;
//1.alloc device num
result = alloc_chrdev_region(&(led_dev.devnum),0,1,"led");
if(result < 0){
printk("chrdev device num alloc error\n");
return result;
}
led_major = MAJOR(led_dev.devnum);
printk("led major = %d\n",led_major);
//2.init cdev
cdev_init(&led_dev.led_cdev,&led_ops);
//3.add cdev
result = cdev_add(&led_dev.led_cdev,led_dev.devnum,1);
printk("cdev add error\n");
goto err1;
}
//4.map led register
led_dev.gpx2con = ioremap(GPX2CON, sizeof(int));
if(led_dev.gpx2con == NULL){
printk("led device gpx2con remap failed!\n");
goto err2;
}
led_dev.gpx2dat = ioremap(GPX2DAT, sizeof(int));
if(led_dev.gpx2dat == NULL){
printk("led device gpx2dat ioremap failed!\n");
goto err3;
}
//5.setting GPX2_7 pin output mode
iowrite32((ioread32(led_dev.gpx2con) & (~(0xf << 28))) | ((0x1 << 28)), led_dev.gpx2con);
printk("led driver module init ok!\n");
return 0;
err3:
iounmap(led_dev.gpx2con);
err2:
cdev_del(&led_dev.led_cdev);
err1:
unregister_chrdev_region(led_dev.devnum,1);
return result;
}
static void led_exit(void)
{
//1.del cdev
//2.release chrdev device num
unregister_chrdev_region(led_dev.devnum,1);
printk("led driver module exit!\n");
}
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("albert@gmail.com");
MODULE_DESCRIPTION("the Driver for led device");
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
重点在file_operations这个结构体，可以看到我在驱动中实现了led_open,led_close,led_write和led_ioctl五个具体操作接口，上层就是通过这个5个指针调到驱动中这五个函数。
具体实现led灯亮灭的代码就在led_ioctl这个函数，这个不同硬件电路具体代码不一样，
但是可以看到其实就是操作寄存器，设置寄存器对应位高低电平就能实现灯亮灭。操作硬件就是操作寄存器这是通用底层逻辑。
我们来看一下驱动程序对应的应用层测试代码。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>
#define LED_ON _IO('C',0)
#define LED_OFF _IO('C',1)
int main(int argc, char **argv)
{
int fd = open(argv[1], O_RDWR);
if(-1 == fd){
printf("open device error");
return -1;
}
while(1){
ioctl(fd, LED_ON);
sleep(2);
ioctl(fd, LED_OFF);
sleep(2);
}
close(fd);
return 0;
}
应用层代码就是调用ioctl系统调用来实现等的2秒闪烁功能。应用层这里通过调用ioctl可以通过文件系统调到驱动程序中注册的file_operations中unlocked_ioctl指针指向的led_ioctl函数，从而实现led的亮灭。
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