01. Linux设备驱动概述
1. 设备驱动的作用
核心：充当硬件和应用软件之间的纽带
具体任务：
① 读写设备寄存器（实现控制的方式）
② 完成设备的轮询、中断处理、DMA通信（CPU与外设通信的方式）
③ 进行物理内存向虚拟内存的映射（在开启硬件MMU的情况下）
2. 有无操作系统时的设备驱动
1）无操作系统
A. 硬件、驱动和应用程序的关系
说明1：无操作系统特点
① 驱动包含的接口函数直接与硬件功能吻合，没有任何附加功能（向下）
② 设备驱动的接口被直接提交给应用软件工程师，应用软件直接访问设备驱动的接口（向上）
说明2：无操作系统情况下，两种不合理的驱动架构
缺点：设备驱动和应用软件平等，驱动中包含了业务层面的处理，不符合高内聚，低耦合的要求。
缺点：应用软件直接操作硬件寄存器，不单独设计驱动模块，代码不可复用
B. 单任务软件典型架构
在一个无限循环中夹杂着对设备中断的检测或者对设备的轮询。
2）有操作系统
A. 硬件、驱动、操作系统和应用软件的关系
说明1：设备驱动的2个任务
① 操作硬件（向下）
② 将驱动融于内核，需要设计面向操作系统内核的接口，这些接口由操作系统定义（向上）
在有操作系统的情况下，驱动的架构由相应的操作系统定义，必须按照相应的架构设计驱动
结果：驱动成为连接硬件和内核的桥梁 !!!
说明2：操作系统通过给驱动制造麻烦来给上层应用提供便利
由于驱动都按照操作系统给出的独立于设备的接口设计，应用程序可以使用统一的系统调用接口来访问各种设备
e.g. 使用write和read函数可以访问各种字符设备和块设备，而不论设备的具体类型和工作方式
3. Linux设备分类
1）常规分类法
A. 字符设备
特点：
① 以串行顺序依次进行访问的设备
② 字符设备不经过系统的快速缓冲
e.g. 触摸屏、鼠标
B. 块设备
特点：
① 可以用任意顺序进行访问，以块为单位进行操作
② 块设备经过系统的快速缓冲
③ 在块设备上可以构建文件系统
e.g. 硬盘、SD卡
说明：块设备以块为最小传输单位，不能按字节处理数据。而Linux则允许块设备传送任意数量的字节，因此块 & 字符设备的区别区别仅在于内核内部管理数据的方式不同，即内核和驱动之间的软件接口不同
C. 网络设备
特点：
① 网络设备面向数据包的接收和发送设计
② 网络设备不对应于文件系统的结点
说明：与字符 & 块设备一样，网络设备也可以是一个纯粹的软件设备（e.g. 回环网卡）
2）总线分类法
示例：I2C驱动 / USB驱动 / PCI驱动 / LCD驱动
这些驱动都可以归入常规分类法的3个基础类别，但由于这些设备比较复杂，Linux为其定义了各自的驱动体系结构（即内核提供了给定类型设备的附加层，我们编写的驱动是和这些附加层一起工作）
所谓给定类型设备的附加层，其实就是内核开发者实现了整个设备类型的共有特性，并提供给驱动程序实现者
e.g. USB设备由USB模块驱动，而USB模块和USB子系统一起工作。但USB设备本身在系统中可以表现为一个字符设备（e.g. USB串口）/ 块设备（e.g. USB读卡器）/ 网络设备（e.g. USB网卡）
4. Linux设备驱动在整个软硬件系统中的位置
说明1：除网络设备外，字符设备和块设备都被映射为Linux文件系统中的文件，可以通过文件系统的系统调用接口（open / close / read / write）访问
说明2：对块设备的2种访问方式
① 原始块访问（e.g. dd命令）
② 构建文件系统通过文件访问
说明3：Linux块子系统 & MTD子系统
① MTD子系统面向Nor & Nand Flash工作，在其上可建立Yaffs等文件系统
② Linux块子系统面向磁盘 & MMC/SD工作，在其上可建立FAT/EXT等文件系统
5. 内核空间与用户空间
1）硬件基础：CPU支持不同的运行模式
ARM：支持usr / fiq / irq / svc / sys / und / abt 七种模式
X86：拥有ring 0 ~ ring 3四种特权等级
2）Linux利用CPU的这一特性实现内核态和用户态，但他只使用两级
ARM：内核态（svc模式）、用户态（usr模式）
X86：内核态（ring 0）、用户态（ring 3） //ring 1 现在被用于实现虚拟化
说明1：ARM Linux 的系统调用实现原理是采用swi软中断从用户态切换至内核态
说明2：X86是通过int 0x80中断进入内核态
3）内核态与用户态
内核态：可以进行任何操作
用户态：禁止对硬件的直接访问和对内存的未授权访问
说明：内核态和用户态使用不同的地址空间（即有自己的内存映射），Linux 只能通过系统调用和硬件中断从用户空间进入内核空间。
补充：在进入内核态时，系统调用和硬件中断的不同
A. 执行系统调用的内核代码运行在进程上下文中，他代表调用进程执行操作，因此能够访问进程地址空间的所有数据。
B. 处理硬件中断的内核代码运行在中断上下文中，他和进程是异步的，与任何一个特定进程无关。
通常，一个驱动程序模块中的某些函数作为系统调用的一部分，而其他函数负责中断处理。
6. GNU C对ANSI C的常见扩展
1）零长度数组
struct var_data
{
int len;
char data[0];
};
说明1：由于没有为data数组分配内存，因此sizeof(struct var_data) = sizeof(int)
说明2：char data[0] 意味着通过var_data结构体类型变量的data[i]成员可以访问len之后的第i个地址中的内容。
e.g. 假设struct var_data的数据域就保存在struct var_data紧接着的内存区域，那么可以通过如下方式遍历这些数据。
struct var_data s;
...
for (i = 0; i < s.len; ++i) //此时s.len 中保存的就是实际的数据域字节数
printf("%x\n", s.data[i]);
典型应用场景：定义变长对象的头结构（e.g. 802.11帧头部，由于IE 的存在，帧长度可变~~）
补充：其实只有在数据域紧接着struct var_data时，零长度数组才有意义
上机测试：成员数组data 的起始地址
2）case范围
GNU C 支持case x...y 语法
switch (ch)
{
case '0'...'9':
ch -= '0';
break;
case 'a'...'f'
ch -= 'a' - 10;
break;
case 'A'...'F':
ch -= 'A' - 10;
break;
}
3）语句表达式
其实就是花括号中的复合语句
在这个topic下主要想讨论一种避免副作用的宏定义方式：
#definf MIN(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
这种宏定义方式已经考虑得比较全面，但不能避免调用时的副作用，比如，
int x = 10;
int y = 20;
int z = MIN(x++, y++); //int z = ((x++) < (y++) ? (x++) : (y++))，由于副作用变量错误地
//累加了2次
注意：在实际使用中要避免在调用宏时带副作用
改进方式：在复合语句中定义局部变量
#define MIN(type, x, y) \
({type _x = (x); type _y = (y); _x < _y ? _x : _y})
int z = MIN(int, x++, y++); //int z = {int _x=x++; int _y=y++; _x < _y ? _x : _y};
4）typeof关键字
typeof(x)可以获得x的类型，借助这个宏，可以重写上面的MIN 宏（内核代码中的实现）
#define MIN(x, y) ({ \
const typeof(x) _x = (x); \
const typeof(y) _y = (y); \
(void) (&_x == &_y); \
_x < _y ? _x : _y})
说明：(void)(&_x == &_y) 的作用是判断参与比较的两个值类型是否一致
_x 和_y 的地址值当然不可能相同，但是如果两个变量的类型不同，此处进行地址比较就会使得编译器警告：comparison of distinct pointer types lacks a cast。这是因为C语言中的指针包含 地址值 + 基类型 这2个属性
5）可变参数宏
#define pr_debug(fmt, arg...)
printk(fmt, ##arg)
说明：pre_debug宏中的arg表示其余的参数，可以是零个或多个。
pre_debug("%s:%d\n", filename, line); ==>
printk("%s:%d\n", filename, line);
使用##是为了处理arg参数个数为零个的情况，此时前面的逗号变得多余，使用##后，GNU C 处理器会丢弃前面的逗号。
pre_debug("success!\n"); ==>
printk("success!\n");
而不是
printk("success!\n",);
6）当前函数名宏
GNU C 中使用宏__FUNCTION__ 保存函数在源代码中的名字，C99 中新增了__func__ 宏表示当前函数名。
目前建议在Linux 编程中使用__func__ 宏
7）特殊属性声明__attribute__
用途：声明函数、变量和类型的特殊属性，以便进行手工的代码优化和定制代码检查的方法。
语法：在需要修饰的声明后面添加__attribute__((ATTRIBUTE))，其中ATTRIBUTE为属性说明，如果存在多个属性，以逗号分隔。
下面列举几个常用的属性：
A. noreturn
用于函数，表示函数从不返回。编译器可以据此优化代码（e.g. 不为函数返回准备寄存器），并消除不必要的警告信息
B. unused
用于函数和变量，表示该函数或变量可能不会被用到，可避免编译器产生的警告。
C. aligned
用于变量、结构体或联合体，指定变量、结构体或联合体的对齐方式，以字节为单位
struct example_struct
{
char a;
int b;
long c;
}__attribute__((aligned(4))); //以4字节对齐
下面通过一个实例来了解下aligned 的作用：
aligned(4)
aligned(16)
分析：如果将__attribute__((aligned(n)))作用于一个类型（n必须为2的幂次方），那么该类型变量在分配地址空间时，其存放的地址一定按照n字节对齐；并且其占用的空间也是n的整数倍
D. packed
用于变量和类型，用于变量或结构体时表示使用最小可能的对齐；用于枚举、结构体或联合体类型是表示该类型使用最小的内存。
说明：可见对整个结构体类型使用packed属性后，不再对齐和补齐（但实际编程时不建议使用，因为非对齐的内存访问效率较低）
E. section
用于函数或数据，表示将其链接到指定的段
__attribute__((section("section_name"))) //内核中非常常用
F. format
用于函数，表示函数使用printf / scanf风格的参数，指定format属性可以让编译器根据格式串检查参数类型
该属性说明printk的第1个参数是格式串，从第2个参数开始会根据printf函数的格式串规则检查参数
8）内建函数
GNU C 提供了大量的内建函数，其中大部分是标准C库函数的GNU C编译器内建版本（如memcpy等），他们与对应的标准C 库函数功能相同。
不属于库函数的其他内建函数的命名通常以__builtin开始
A. __builtin_constant_p
__builtin_constant_p(EXP)用于判断一个值是否为编译时常数，如果参数EXP的值是常数该函数返回1，否则返回0
B. __builtin_expect
__builtin_expect(EXP, C)用于为编译器提供分支预测信息，其返回值是整数表达式EXP的值，C的值必须是编译时常数
由于代码中的分支语句会中断流水线，所以可以使用likely & unlikely宏暗示分支容易成立还是不容易成立
说明：可以使用-ansi -pedantic编译选项禁用GNU C语法
7. 内核编程其他主题
1）do {} while(0)
使用场景：宏定义
示例：
#define SAFE_FREE(p) do{free(p); p = NULL;} while(0) //此处没有分号哦~~
if (p)
SAFE_FREE(p);
else
... //do something
说明：此时的宏展开不会有问题。如果仅仅使用花括号，仍可能有潜在风险
#define SAFE_FREE(p) {free(p); p = NULL;}
if (p)
SAFE_FREE(p); //调用后添加分号，是通常的使用习惯
else
... //do something
会被展开为，
if (p)
{free(p); p = NULL;} ;
else
... //do something
由于分号的存在，{free(p); p = NULL} ; 表示2 条语句（复合语句 + 空语句），所以else 无法配对，导致编译失败。
问题根源：C 语言中规定语句以分号结束，但有一点例外，就是复合语句是以右花括号结束（}）
2）goto语句的使用
goto 语句在Linux内核源码中一般只用于错误处理
关键：在错误处理时，注销 / 释放资源的顺序和注册 / 申请资源的顺序相反
if (register_a() != 0)
goto err;
if (register_b() != 0)
goto err1;
if (register_c() != 0)
goto err2;
//错误处理书写技巧：从err 写起，逐层向上~~
err2:
unregister_b();
err1:
unregister_a();
err:
return ret;
3）内核中的并发
理解关键：内核代码几乎始终不能假定在给定代码段中能够独占CPU
并发原因：
① Linux 中的并发进程，可能同时要使用我们的驱动程序
② 中断处理程序
③ 其他异步事件（e.g. 内核定时器）
④ SMP
⑤ 内核抢占
对内核代码的要求：
① 必须可重入，能够同时运行在多个上下文中
② 内核数据结构要保证多个线程能分开执行
③ 访问共享数据的代码必须避免破坏共享数据
4）当前进程的获取
如果当前执行的内核操作由某个进程发起，那么可以通过全局项current来获得当前进程
全局项current的实现方式如下，
A. before 2.6
实现为指向struct task_struct 的指针（include/sched.h）
B. from 2.6
① 不再是一个全局变量
② 为支持SMP，开发了一种能找到运行在相关CPU 上的当前进程的机制
③ 实现时不依赖特定架构，将指向task_struct 结构的指针隐藏在内核栈中
说明：从实现方式看，确实是从内核栈中获取了当前进程的信息
5）浮点工具链
Linux的浮点处理有3种方式，其对应的编译选项如下，
① 完全软浮点：-mfloat-abi=soft
② 与软浮点兼容，但是使用FPU硬件：-mfloat-abi=softfp
③ 完全硬浮点：-mfloat-abi=hard
说明：由于目前主流的ARM芯片都自带VFP或者NEON等浮点处理单元（FPU），所以对硬浮点的需求更加强烈。在工具链前缀中包含"hf"的为支持完全硬浮点的工具链，比如arm-linux-gnueabihf-gcc
6）一些细节
① 内核API中以双下划线开头的函数，是接口的底层组件，应该谨慎使用
② 内核代码不能实现浮点运算（当然内核代码中也不需要~~）