linux將所有外部設備看成是一類特殊文件，稱之為“設備文件”，如果說系統調用是Linux內核和應用程序之間的接口，那么設備驅動程序則可以看成是 Linux內核與外部設備之間的接口。設備驅動程序向應用程序屏蔽了硬件在實現上的細節，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設備。
1. 字符設備和塊設備
Linux抽象了對硬件的處理，所有的硬件設備都可以像普通文件一樣來看待：它們可以使用和操作文件相同的、標準的系統調用接口來完成打開、關閉、讀寫和 I/O控制操作，而驅動程序的主要任務也就是要實現這些系統調用函數。Linux系統中的所有硬件設備都使用一個特殊的設備文件來表示，例如，系統中的第 一個IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個設備文件對應有兩個設備號：一個是主設備號，標識該設備的種類，也標識了該設備所使用的驅動程序；另一個是 次設備號，標識使用同一設備驅動程序的不同硬件設備。設備文件的主設備號必須與設備驅動程序在登錄該設備時申請的主設備號一致，否則用戶進程將無法訪問到 設備驅動程序。
在Linux操作系統下有兩類主要的設備文件：一類是字符設備，另一類則是塊設備。字符設備是以字節為單位逐個進行I/O操作的設備，在對字符設備發出讀 寫請求時，實際的硬件I/O緊接著就發生了，一般來說字符設備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機訪問。塊設備則是利用一塊系統內存作為緩沖區，當用 戶進程對設備進行讀寫請求時，驅動程序先查看緩沖區中的內容，如果緩沖區中的數據能滿足用戶的要求就返回相應的數據，否則就調用相應的請求函數來進行實際 的I/O操作。塊設備主要是針對磁盤等慢速設備設計的，其目的是避免耗費過多的CPU時間來等待操作的完成。一般說來，PCI卡通常都屬于字符設備。
2.設備驅動程序接口
Linux中的I/O子系統向內核中的其他部分提供了一個統一的標準設備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數據結構file_Operations來完成的：
struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync); int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); int (*check_flags)(int); int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int); ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int); int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **); long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,loff_t len);};當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write等操作時，Linux內核將通過file_operations結構訪問驅動程 序提供的函數。例如，當應用程序對設備文件執行讀操作時，內核將調用file_operations結構中的read函數。
3.設備驅動程序模塊
Linux下的設備驅動程序可以按照兩種方式進行編譯，一種是直接靜態編譯成內核的一部分，另一種則是編譯成可以動態加載的模塊。如果編譯進內核的話，會增加內核的大小，還要改動內核的源文件，而且不能動態地卸載，不利于調試，所有推薦使用模塊方式。
從本質上來講，模塊也是內核的一部分，它不同于普通的應用程序，不能調用位于用戶態下的C或者C++庫函數，而只能調用Linux內核提供的函數，在/PRoc/ksyms中可以查看到內核提供的所有函數。
在以模塊方式編寫驅動程序時，要實現兩個必不可少的函數init_module( )和cleanup_module( )，而且至少要包含和兩 個頭文件。一般使用LDD3 例程中使用的makefile 作為基本的版本，稍作改變之后用來編譯驅動，編譯生成的模塊（一般為.ko文件）可以使用命令insmod載入Linux內核，從而成為內核的一個組成部分，此時內核會調用 模塊中的函數init_module( )。當不需要該模塊時，可以使用rmmod命令進行卸載，此進內核會調用模塊中的函數cleanup_module( )。任何時候都可以使用命令來lsmod查看目前已經加載的模塊以及正在使用該模塊的用戶數。
4.設備驅動程序結構
了解設備驅動程序的基本結構（或者稱為框架），對開發人員而言是非常重要的，Linux的設備驅動程序大致可以分為如下幾個部分：驅動程序的注冊與注銷、設備的打開與釋放、設備的讀寫操作、設備的控制操作、設備的中斷和輪詢處理。
驅動程序的注冊與注銷
向系統增加一個驅動程序意味著要賦予它一個主設備號，這可以通過在驅動程序的初始化過程中調用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來完成。而在關閉字符設備或者塊設備時，則需要通過調用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內核中注銷設備，同時釋放占用的主設備號。但是現在 程序員都傾向于動態創建設備號和設備結點，動態創建設備號和設備結點需要幾個指定的函數，具體 可以參見“Linux字符驅動中動態分配設備號與動態生成設備節點”。
設備的打開與釋放
打開設備是通過調用file_operations結構中的函數open( )來完成的，它是驅動程序用來為今后的操作完成初始化準備工作的。在大部分驅動程序中，open( )通常需要完成下列工作：
1.檢查設備相關錯誤，如設備尚未準備好等。
2.如果是第一次打開，則初始化硬件設備。
3.識別次設備號，如果有必要則更新讀寫操作的當前位置指針f_ops。
4.分配和填寫要放在file->private_data里的數據結構。
5.使用計數增1。
釋放設備是通過調用file_operations結構中的函數release( )來完成的，這個設備方法有時也被稱為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作：
1.使用計數減1。
2.釋放在file->private_data中分配的內存。
3.如果使用計算為0，則關閉設備。
設備的讀寫操作
字符設備的讀寫操作相對比較簡單，直接使用函數read( )和write( )就可以了。但如果是塊設備的話，則需要調用函數block_read( )和block_write( )來進行數據讀寫，這兩個函數將向設備請求表中增加讀寫請求，以便Linux內核可以對請求順序進行優化。由于是對內存緩沖區而不是直接對設備進行操作 的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內存緩沖區中沒有所要讀入的數據，或者需要執行寫操作將數據寫入設備，那么就要執行真正的數據傳輸，這是通過調用 數據結構blk_dev_struct中的函數request_fn( )來完成的。
設備的控制操作
除了讀寫操作外，應用程序有時還需要對設備進行控制，這可以通過設備驅動程序中的函數ioctl( )來完成，ioctl 系統調用有下面的原型: int ioctl(int fd, unsigned long cmd, …)，第一個參數是文件描述符，第二個參數是具體的命令，一般使用宏定義來確定，第三個參數一般是傳遞給驅動中處理設備控制操作函數的參數。ioctl( )的用法與具體設備密切關聯，因此需要根據設備的實際情況進行具體分析。
設備的中斷和輪詢處理對于不支持中斷的硬件設備，讀寫時需要輪流查詢設備狀態，以便決定是否繼續進行數據傳輸。如果設備支持中斷，則可以按中斷方式進行操作。
5.基本框架
在用模塊方式實現PCI設備驅動程序時，通常至少要實現以下幾個部分：初始化設備模塊、設備打開模塊、數據讀寫和控制模塊、中斷處理模塊、設備釋放模塊、設備卸載模塊。下面給出一個典型的PCI設備驅動程序的基本框架，從中不難體會到這幾個關鍵模塊是如何組織起來的。
/* 指明該驅動程序適用于哪一些PCI設備 */static struct pci_device_id my_pci_tbl [] __initdata = {{PCI_VENDOR_ID, PCI_DEVICE_ID,PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, 0},{0,}};/* 對特定PCI設備進行描述的數據結構 */struct device_private {...}/* 中斷處理模塊 */static irqreturn_t device_interrupt(int irq, void *dev_id){/* ... */}/* 設備文件操作接口 */static struct file_operations device_fops = {owner: THIS_MODULE, /* demo_fops所屬的設備模塊 */read: device_read, /* 讀設備操作*/write: device_write, /* 寫設備操作*/ioctl: device_ioctl, /* 控制設備操作*/mmap: device_mmap, /* 內存重映射操作*/open: device_open, /* 打開設備操作*/release: device_release /* 釋放設備操作*//* ... */};/* 設備模塊信息 */static struct pci_driver my_pci_driver = {name: DEVICE_MODULE_NAME, /* 設備模塊名稱 */id_table: device_pci_tbl, /* 能夠驅動的設備列表 */probe: device_probe, /* 查找并初始化設備 */remove: device_remove /* 卸載設備模塊 *//* ... */};static int __init init_module (void){/* ... */}static void __exit cleanup_module (void){ pci_unregister_driver(&my_pci_driver);}module_init(init_module);/* 加載驅動程序模塊入口 */module_exit(cleanup_module);/* 卸載驅動程序模塊入口 */上面這段代碼給出了一個典型的PCI設備驅動程序的框架，是一種相對固定的模式。需要注意的是，同加載和卸載模塊相關的函數或數據結構都要在前面加上 __init、__exit等標志符，以使同普通函數區分開來。構造出這樣一個框架之后，接下去的工作就是如何完成框架內的各個功能模塊了。 針對相應設備定義描述該PCI設備的數據結構：
struct device_private{ /*注冊字符驅動和發現PCI設備的時候使用*/ struct pci_dev *my_pdev;// struct cdev my_cdev;// dev_t my_dev; atomic_t created; /* 用于獲取PCI設備配置空間的基本信息 */ unsigned long mmio_addr; unsigned long regs_len; int irq;//中斷號 /*用于保存分配給PCI設備的內存空間的信息*/ dma_addr_t rx_dma_addrp; dma_addr_t tx_dma_addrp; /*基本的同步手段*/ spinlock_t lock_send; spinlock_t lock_rev; /*保存內存空間轉換后的地址信息*/ void __iomem *ioaddr; unsigned long virts_addr; int open_flag // 設備打開標記 .....};初始化設備模塊：
static struct pci_driver my_pci_driver = { name: DRV_NAME, // 驅動的名字，一般是一個宏定義 id_table: my_pci_tbl, //包含了相關物理PCI設備的基本信息，vendorID，deviceID等 probe: pci_probe, //用于發現PCI設備 remove: __devexit_p(pci_remove), //PCI設備的移除}; // my_pci_tbl 其實是一個 struct pci_device 結構，該結構可以有很多項，每一項代表一個設備// 該結構可以包含很多項，每一項表明使用該結構的驅動支持的設備// 注意：需要以一個空的項結尾，也就是：{0,}static struct pci_device_id my_pci_tbl[] __initdata = { { vendor_id, device_id, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, 0}, { 0,}};static int __init init_module(void) { int result; printk(KERN_INFO "my_pci_driver built on %s, %s/n",__DATE__,__TIME__); result = pci_register_driver(&my_pci_driver ); //注冊設備驅動 if(result) return result; return 0;}卸載設備模塊：
static void __devexit my_pci_remove(struct pci_dev *pci_dev){ struct device_private *private; private= (struct device_private*)pci_get_drvdata(pci_dev); printk("FCswitch->irq = %d/n",private->irq); // register_w32 是封裝的宏，便于直接操作 // #define register_w32 (reg, val32) iowrite32 ((val32), device_private->ioaddr + (reg)) // 這里的作用是關中斷，硬件復位 register_w32(IntrMask,0x00000001); register_w32(Reg_reset,0x00000001); // 移除動態創建的設備號和設備 device_destroy(device_class, device->my_dev); class_destroy(device_class); cdev_del(&private->my_cdev); unregister_chrdev_region(priv->my_dev,1); //清理用于映射到用戶空間的內存頁面 for(private->virts_addr = (unsigned long)private->rx_buf_virts;private->virts_addr < (unsigned long)private->rx_buf_virts + BUF_SIZE;private->virts_addr += PAGE_SIZE) { ClearPageReserved(virt_to_page(FCswitch->virts_addr)); } ... // 釋放分配的內存空間 pci_free_consistent(private->my_pdev, BUF_SIZE, private->rx_buf_virts, private->rx_dma_addrp); ... free_irq(private->irq, private); iounmap(private->ioaddr); pci_release_regions(pci_dev); kfree(private); pci_set_drvdata(pci_dev,NULL); pci_disable_device(pci_dev);}// 總之模塊卸載函數的職責就是釋放一切分配過的資源，根據自己代碼的需要進行具體的操作PCI設備的探測（probe）：
static int __devinit pci_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct pci_device_id *pci_id){ unsigned long mmio_start; unsigned long mmio_end; unsigned long mmio_flags; unsigned long mmio_len; void __iomem *ioaddr1=NULL; struct device_private *private; int result; printk("probe function is running/n"); /* 啟動PCI設備 */ if(pci_enable_device(pci_dev)) { printk(KERN_ERR "%s:cannot enable device/n", pci_name(pci_dev)); return -ENODEV; } printk( "enable device/n"); /* 在內核空間中動態申請內存 */ if((private= kmalloc(sizeof(struct device_private), GFP_KERNEL)) == NULL) { printk(KERN_ERR "pci_demo: out of memory/n"); return -ENOMEM; } memset(private, 0, sizeof(*private)); private->my_pdev = pci_dev; mmio_start = pci_resource_start(pci_dev, 0); mmio_end = pci_resource_end(pci_dev, 0); mmio_flags = pci_resource_flags(pci_dev, 0); mmio_len = pci_resource_len(pci_dev, 0); printk("mmio_start is 0x%0x/n",(unsigned int)mmio_start); printk("mmio_len is 0x%0x/n",(unsigned int)mmio_len); if(!(mmio_flags & IORESOURCE_MEM)) { printk(KERN_ERR "cannot find proper PCI device base address, aborting./n"); result = -ENODEV; goto err_out; } /* 對PCI區進行標記 ，標記該區域已經分配出去*/ result = pci_request_regions(pci_dev, DEVICE_NAME); if(result) goto err_out; /* 設置成總線主DMA模式 */ pci_set_master(pci_dev); /*ioremap 重映射一個物理地址范圍到處理器的虛擬地址空間, 使它對內核可用.*/ ioaddr1 = ioremap(mmio_start, mmio_len); if(ioaddr1 == NULL) { printk(KERN_ERR "%s:cannot remap mmio, aborting/n",pci_name(pci_dev)); result = -EIO; goto err_out; } printk("ioaddr1 = 0x%0x/n",(unsigned int)ioaddr1); private->ioaddr = ioaddr1; private->mmio_addr = mmio_start; private->regs_len = mmio_len; private->irq = pci_dev->irq; printk("irq is %d/n",pci_dev->irq); /* 初始化自旋鎖 */ spin_lock_init(&private->lock_send); spin_lock_init(&private->lock_rev); if(my_register_chrdev(private)) {//注：這里的注冊字符設備，類似于前面的文章中介紹過的動態創建設備號和動態生成設備結點 printk("chrdev register fail/n"); goto err_out; } //下面這兩個函數根據具體的硬件來處理，主要就是內存分配、對硬件進行初始化設置等 device_init_buf(xx_device);//這個函數主要進行內存分配，內存映射，獲取中斷 device_hw_start(xx_device);//這個函數主要是往寄存器中寫一些值，復位硬件，開中斷，打開DMA等 //把設備指針地址放入PCI設備中的設備指針中，便于后面調用pci_get_drvdata pci_set_drvdata(pci_dev, FCswitch); return 0;err_out: printk("error process/n"); resource_cleanup_dev(FCswitch); //如果出現任何問題，釋放已經分配了的資源 return result;}// probe函數的作用就是啟動pci設備，讀取配置空間信息，進行相應的初始化中斷處理： //中斷處理，主要就是讀取中斷寄存器，然后調用中斷處理函數來處理中斷的下半部分，一般通過tasklet或者workqueue來實現 注意：由于使用request_irq 獲得的中斷是共享中斷，因此在中斷處理函數的上半部需要區分是不是該設備發出的中斷，這就需要讀取中斷狀態寄存器的值來判斷，如果不是該設備發起的中斷則 返回 IRQ_NONE
static irqreturn_t device_interrupt(int irq, void *dev_id){ ... if( READ(IntMask) == 0x00000001) { return IRQ_NONE; } WRITE(IntMask,0x00000001); tasklet_schedule(&my_tasklet); // 需要先申明tasklet 并關聯處理函數 ... return IRQ_HANDLED;}// 聲明taskletstatic void my_tasklet_process(unsigned long unused);DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_process, (unsigned long)&private);//第三個參數為傳遞給my_tasklet_process 函數的參數設備驅動的接口：
static struct file_operations device_fops = { owner: THIS_MODULE, open: device_open, //打開設備 ioctl: device_ioctl, //設備控制操作 mmap: device_mmap, //內存重映射操作 release: device_release, // 釋放設備};打開設備： open 方法提供給驅動來做任何的初始化來準備后續的操作. open 方法的原型是:
int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);inode 參數有我們需要的信息,以它的 i_cdev 成員的形式, 里面包含我們之前建立的cdev 結構. 唯一的問題是通常我們不想要 cdev 結構本身, 我們需要的是包含 cdev 結構的 device_private 結構.
static int device_open(struct inode *inode, struct file *filp){ struct device_private *private; private= container_of(inode->i_cdev, struct device_private, my_cdev); filp->private_data = private; private->open_flag++; try_module_get(THIS_MODULE); ... return 0;}釋放設備： release 方法的角色是 open 的反面，設備方法應當進行下面的任務: ? 釋放 open 分配在 filp->private_data 中的任何東西 ? 在最后的 close 關閉設備
static int FCswitch_release(struct inode *inode,struct file *filp){ struct device_private *private= filp->private_data; private->open_flag--; module_put(THIS_MODULE); printk("pci device close success/n"); return 0;}設備控制操作： PCI設備驅動程序可以通過device_fops 結構中的函數device_ioctl( )，向應用程序提供對硬件進行控制的接口。例如，通過它可以從I/O寄存器里讀取一個數據，并傳送到用戶空間里。
static int device_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg){ int retval = 0; struct device_private *FCswitch = filp->private_data; switch (cmd) { case DMA_EN://DMA使能 device_w32(Dma_wr_en, arg); break; ... default: retval = -EINVAL; } return retval;}內存映射：
static int device_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma){ int ret; struct device_private *private = filp->private_data; vma->vm_page_prot = PAGE_SHARED;//訪問權限 vma->vm_pgoff = virt_to_phys(FCswitch->rx_buf_virts) >> PAGE_SHIFT;//偏移（頁幀號） ret = remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, vma->vm_pgoff, (unsigned long)(vma->vm_end-vma->vm_start), vma->vm_page_prot); if(ret!=0) return -EAGAIN; return 0;}對 remap_pfn_range()函數的說明： remap_pfn_range（）函數的原型:
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);該函數的功能是創建頁表。其中參數vma是內核根據用戶的請求自己填寫的，而參數addr表示內存映射開始處的虛擬地址，因此，該函數為addr~addr+size之間的虛擬地址構造頁表。
另外，pfn（Page Fram Number）是虛擬地址應該映射到的物理地址的頁面號，實際上就是物理地址右移PAGE_SHIFT位。如果PAGE_SHIFT為4kb，則 PAGE_SHIFT為12，因為PAGE_SHIFT等于1<< PAGE_SHIFT。 最后一個參數prot是新頁所要求的保護屬性。
在驅動程序中，一般能使用remap_pfn_range（）映射內存中的保留頁（如X86系統中的640KB~1MB區域）和設備I/O內存。因此，如 果想把kmalloc()申請的內存映射到用戶空間，則可以通過SetPageReserved把相應的內存設置為保留后就可以。
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