Linux——Linux驱动之基本理论常识总结（什么是Linux驱动？Linux驱动需要掌握哪些？ARM处理体系架构及前世今生）
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目录
0 引言
前面Linux专题中关于Linux下系统编程总结了17篇博文，主要是为了提高Linux下的C编程应用能力，熟悉Linux编程应用环境，从此篇博文起开始Linux驱动的总结，后面计划加一些综合实践项目练习。
1 什么是Linux驱动？
做过嵌入式的都知道裸机程序和带操作系统的程序，这里就不展开讲了，初学者最开始接触的都是裸机程序，main中while大循环跑天下。实际上，掌握了操作系统后，我们会发现基于操作系统的开发更高效，可以分工协作，A去开发应用层软件，B去开发操作系统相关的，C去开发驱动程序，D做底层硬件。
说到这里，从顶层到底层正好是A到D的顺序，驱动程序就是联接操作系统和硬件之间的桥梁，驱动程序多半都是和硬件打交道的，如何让硬件更好、稳定的运行起来，这就是看驱动程序的好坏了，它对上需要提供硬件操作的相关接口。对于顶层的应用软件，无法直接调动硬件，是通过操作系统调用驱动程序提供的接口间接进行的，这样各层各司其职，对于整体系统来说也更稳定可靠，假如每个应用都能直接操作硬件，那才是最大的隐患。
Linux驱动又具体包含三种：一般后两种，处理器厂家都会提供BSP支持包，我们不需要做什么，开发中涉及最多的就是字符设备。
- 字符设备驱动：大部分都是字符设备，如GPIO、LED、串口、蜂鸣器、声卡等
- 块设备驱动：存储设备，如U盘、硬盘、TF卡等
- 网络设备驱动：通信设备，如wifi、以太网等
2 Linux驱动程序需要掌握的内容
1）GPIO，通用输入输出口
单片机中只需要对寄存器进行设置操作就可以了，但在高端处理器中，就没那么简单了。
2）内存管理单元MMU
MMU是单片机和处理器的一个区别，普通的51单片机一般叫MCU（微控制器），ARM处理器一般叫MPU（微处理器），后者加入了内存管理单元。MMU是一种负责处理处理器的内存访问请求的硬件。它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、内存保护、中央处理器高速缓存的控制，在较为简单的计算机体系结构中，负责总线的仲裁以及存储体切换。
3）Linux中一切皆文件
Linux中一切都被看成是文件，把设备也看成文件，所以字符设备驱动的编程路子就是做一组设备对应的驱动函数，使能能用open、read、write、ioctrl、close像操作文件一样进行操作。
4）设备节点
要想用户进程与内核下的硬件进行通信，就需要建立一个设备节点，前面Linux系统编程时也是见过的，比如在开发板新插上一个U盘，使用fdisk -l指令查看，/dev/sda1就是我们新插U盘的一个设备节点。
5）上层应用如何操作外部设备
这个应该说是做嵌入式的一个常规操作了，简单说下，大致思路基本都是一样的，举个很简单例子，我们要用控制器的某个 IO 口开关蜂鸣器，该如何操作：首先根据原理图确定是那个pin，然后去控制器的datasheet中查找操作这个IO口的对应寄存器，明确物理地址，然后根据手册要求向该物理地址写数据控制IO口输出高低电平，进而控制了蜂鸣器的关断。
写到这里，是不是感觉和刚上大学时玩51单片机的套路差不多？是的，其实裸机程序中都是这么操作外设的，但是如果上了Linux，启动了MMU，就不是直接对物理地址进行操作了，而是把物理地址先转换为虚拟地址，然后对虚拟地址进行操作的。
6）底层驱动的编写方式，并注册到系统（register_chrdev()）
7）MISC杂项设备（混杂设备）：简化了驱动的编写
8）模块（module）：驱动调试时以模块的形式进行驱动的加载和卸载
3 Linux驱动可参考的资源
Linux本身就是一个开源软件，开源的好处大家都知道，资料丰富，我们做Linux驱动开发，能找到技术支持和相应资源的有如下，列出的，对于新手来说，建议最佳的顺序是从1到5：
1）开发板厂家：比如原子、讯为等，提供大量的学习资料，这个对于新手小白来说建议是首选的；
2）Linux开发工程师：这个就是广大的开发网友了，有论坛、有博客等参照学习。
3）主控芯片原厂：如iMX6、4412等，原厂会在Linux官方代码基础上，加入适配自己主控的SDK等；
4）外设芯片原厂：比如4G、wifi、声卡、显卡芯片等，这么复杂的全自己搞可麻烦了，这些外设原厂会给对应的驱动，我们自己参照移植即可；
5）Linux官方：，有Linux原始的内核代码；
Linux驱动如何学习和理解，借用大神总结的话，在此记录下，我初次看时感觉很受用，理解的很到位：
上层是文件系统和应用，中层是Linux内核，下层是底层硬件，Linux驱动是介于文件系统和底层硬件之间的，是嵌入到内核中的程序，应用是嵌入到文件系统中的程序，比如Android APP。
对上：Linux设备驱动给上层提供调用的接口；
对中：Linux设备驱动要注册到内核中，标准说法是 挂载在总线上；
对下：直接操作硬件，如GPIO、IIC、SPI、PWM等；
以上三个，Linux内核都提供了大量的接口函数、结构体，其实Linux驱动，就是掌握了这些东西怎么用，适应到自己要写的驱动程序中。
4 ARM处理器体系架构
ARM体系架构中区别于单片机的比较突出的体现在有了CACHE 高速缓存和MMU 内存管理单元，ARM体系架构还是比较繁杂的，我们一步步说起，有些基础的概念，就当是温故学习了。
1） CPU中央处理器
CPU到现在都在遵循经典的 冯诺依曼存储结构，CPU其实就是一堆数字电路，与门、或门、非门、触发器等组成，这些单个拿出来都认识，放在一起就复杂了。每个处理器（51、PIC、ARM、X86）都有自己对应的一套指令系统，处理的数字电路就是对套指令系统进行解析，并不断从存储器中按顺序取指令去执行。后来，在冯诺依曼结构基础上，又有了创新的哈佛结构，取指令和取数据分开，可以同时进行。
扩展的点一下，评价一个处理器一般从四方面：频率、性能（MIPS/MHz，MIPS指的是每秒能够处理的指令数）、功耗、面积。
2）指令系统
可以把它看成是一套API，一个软硬件的分界面，这是在计算机系统体系结构中比较重要的思想。对于软件开发人员，只需要知道指令系统就行，知道每一条指令的作用，直接调用指令去实现要操作的功能，至于怎么实现这个操作的，不需要自己掌握；对于处理器设计人员，需要做的是把指令解析，执行。
指令系统分两类：RISC 经典指令集和CISC复杂指令集，早期的处理器如8051、X86用的是CISC，ARM、MIPS、PowerPC等都是用的RISC，RISC指的是每条指令执行的时间相同，指令长度相同，为什么后期会有RISC呢？存在即合理，RISC的指令执行时间和指令长度相同的特点，便于实现流水线，可以使一些多项操作在时间上进行重叠进行，便于提高系统的主频，进而提高处理性能。
3）Cache高速缓存
Cache高速缓存，是CPU与内存之间的高速存储子系统，作用就是为了提高CPU访问内存的速度，高速缓存一般是SRAM，内存一般是DRAM，后者成本较低些。
为什么说高速缓存的存在提高CPU访问存储器的速度？原理是这样的，CPU存取数据首先到高速缓存中去找，若找到的话直接就用，没有的话就会到存储器中去找，同时这部分指令或相关的数据会放到内存中，CPU下次再存取数据的话，就直接能从高速缓存中获取了，总体上提高了系统性能，提高了存储器的平均访问速度，使存储器的速度和CPU的速度匹配。
既然高速缓存速度这么快（一般CPU访问速度是寄存器>高速缓存>内存），那么CPU直接集成大点的高速缓存不就OK了吗，为什么还有额外配置内存呢？答案就是它贵啊，采用CPU+高速缓存+内存的架构性价比较高，也不仅仅是贵的问题，另外，比较重要的一点是，处理器和存储器的性能差距每年大约在以50%d的速度增大，像CPU每18个月其性能都会翻一番，但是存储器发展速度就没那么快了（跟器件工艺相关性比较大），所以采用这种架构很好的平衡了这两点。
4）内存管理单元MMU
内存管理单元实现了虚拟地址到物理地址的转换，ARM上面跑Linux系统，编程用的地址都是虚拟地址，物理地址到虚拟地址的转换是通过ioremap函数实现的。MMU其实就是维护下面这样一个映射表格，ioremap通过查找这个映射表实现虚拟地址到物理地址的转换。
MMU主要应用方面的作用包括：辅助实现虚拟内存、辅助实现多任务管理。
虚拟存储器的空间大小取决于处理器的访存能力，不是实际外存的大小，比如ARM处理器有32、64位系统，32位系统2^32=4G，说明处理器有能力访问4G内存的范围，也就是程序开发人员可以操作的内存范围是4G的，就算实际内存有8G，也只能操作4G的空间，这就是为什么我们PC机8G的内存，一般都是装的64位系统的原因，否则就是浪费硬件嘛。
虚拟内存可以实现既具有外存的容量（PC机中的硬盘、ARM系统中的EMMC/FLASH），又有接近内存的访问速度的效果。
5 ARM的前世今生
ARM全名Advanced Risc Machines,Ltd，ARM公司是1990年成立的，这个公司牛的是自己并不产芯片，是设计公司，只提供IP，处理器的设计方案，ARM芯片厂商需要从ARM手里买IP核做自己的ARM芯片。主要ARM芯片厂商有哪些？我们常见的：
外企：SAMSUNG、TI、Freescale、Intel、NXP、Atmel
国产：联发科、华为、瑞芯微、全志，现在IC国产化兴起，还有很多国内公司，像中科芯、紫光展锐等。
ARM处理器的架构（指的是结构设计）从V3发展到V8，这里的架构不是具体的产品，类似于设计框架，具体的产品像ARM7、ARM8、ARM11、Cortex的A/R/M系列，下面是网络上找的一张图，参考下，发展的时间线也是这样走的。ARM处理器目标就是做出低功耗、低成本的方案，其大量使用了寄存器、指令长度固定，具有领先的性能和功耗。
目前主流的Cortex系列，包含了A、R、M、Secure四个分支，A 系列是性能最强悍的，面向平板电脑应用等，可以说对标 X86了；R系列面向实时处理场景，像工业控制、汽车领域；M系列性价比较高，一般民用、消费品等；Secure系列主要面向安全产品。可以看出ARM公司基本把所有的领域都覆盖了，这个公司还是比较可怕的。
作于202104062140，已归档
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