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Linux设备驱动开发的基本知识

2020-02-24 15:03 次阅读

本篇文章将介绍Linux设备驱动开发的基本知识,带你快速拨开Linux驱动这团迷雾。文章分为如下3个小节进行讲解:

1、设备驱动的概念和作用;

2、在无操作系统和有操作系统的情况下设备驱动的设计开发;

3、Linux设备驱动的重点、难点和学习方法。

文章最后会给出一个简单的LED驱动在无操作系统和Linux操作系统下的实现示例。

好,Let's go

1、设备驱动的概念和作用

大家都知道在Linux开发中是一个分层的思想,也就是说应用层、操作系统层、驱动层和硬件层分别独立,然后为上一层提供API接口。对设备驱动通俗一点的解释就是:驱使硬件设备行动。驱动与底层硬件直接打交道,按照硬件设备的具体工作方式,读写其寄存器,完成设备轮询、中断处理和DMA通信等。设备驱动实际上充当了硬件和应用软件之间的纽带,在系统没有操作系统的情况下工程师可以根据硬件设备的特点自行定义接口,如对串口定义SerialSend()、SerialReceive(),对继电器定义RelayOn()、RelayOff()等。而在有操作系统的情况下,驱动的架构则由操作系统定义,因为驱动架构也属于操作系统内核的一部分,驱动工程师必须按照相应的架构设计驱动,这样的话驱动才能融入操作系统内核中,并正常运行。

2、在无操作系统和有操作系统的情况下设备驱动的设计开发

2.1、无操作系统的情况下

事实上,在许多情况下我们的程序也运行在无操作系统的环境中(裸机程序),因为对于那些功能比较单一、控制并不复杂的系统不需要多任务调度和文件系统等复杂的功能,用单任务架构完全可以很好的实现我们的需求,也就是在一个无限循环(单片机编程中的while(1)死循环)中夹杂着对设备中断的检测或者对设备的轮询。这一部分的知识相信有过单片机编程经验的朋友一定非常熟悉了,下面是这种单任务软件的架构:

主函数

在这样的系统中,虽然不存在操作系统,但是设备驱动必须存在。一般情况下每一种设备驱动都会定义成一个软件模块,包含.c文件和.h文件。

2.2、有操作系统的情况下

当包含操作系统时,我们还需要将驱动融入内核,为了实现这种融合,必须在所有设备的驱动中设计提供给操作系统内核的接口,这类接口由操作系统规定(这是一个复杂的过程,在后续更新的文章中会由浅及深的说明)。所以,存在操作系统的时候,驱动便成为了连接硬件和Linux内核的桥梁。当设备成功注册到系统中,也就是让系统知道了我们需要使用的设备的存在之后,Linux会将设备映射到文件系统的文件和目录中,然后通过系统调用的接口open()、write()、read()、close()等即可访问我们的设备。

3、Linux设备驱动的重点、难点和学习方法

Linux设备驱动的学习是一项浩繁和长久的过程,其中包含了如下重点和难点:

1、编写Linux设备驱动要求工程师有一定的硬件基础;

2、编写Linux设备驱动要求工程师有非常好的C语言基础,能灵活的运用C语言的结构体、指针以及内存动态申请和释放等;

3、编写Linux设备驱动要求工程师有一定的Linux内核基础,并不要求对内核的各个部分有深入的研究,但至少我们要明白驱动程序与内核的接口;

4、编写Linux设备驱动要求工程师有多任务并发控制和同步的基础,因为在驱动中会大量的使用自旋、互斥、信号量和等待队列等并发与同步机制。

看到这里,相信你已经对Linux设备驱动有了基本的认识,首先我们要明白,Linux驱动程序是门槛最高难度最大的一部分,当然薪资也是相对最高的,所以只要我们掌握了方法坚持学习下去,一定可以拨开这团迷雾看见阳光。笔者会定期更新关于嵌入式Linux和C语言在开发和学习中的经验和技巧。欢迎关注!

文章的最后,给出LED驱动在无操作系统和Linux操作系统下的实现示例,以供大家作以比较。LED一般直接由CPU的GPIO口控制,GPIO一般由两组寄存器控制,即一组控制寄存器和一组数据寄存器。控制寄存器可设置GPIO口的工作方式为输入或输出。当引脚被设置为输出时,向数据寄存器的对应位写入1和0分别在引脚上产生高电平和低电平;当引脚设置为输入时,读取数据寄存器的对应位可获得引脚上的电平高低。

在无操作系统时的LED驱动如下:

上述程序中的LedInit()、LedOn()、LedOff()都直接作为驱动提供给应用程序使用。

在Linux下,我们使用字符设备驱动的框架来编写对应于上图中的LED驱动程序,为了遵循Linux编程的命名习惯,重新将其命名为led_init()、led_on()、led_off(),注意:你现在并不需要能够读懂下图中的这些代码,我在后续的文章更新中会继续讲解说明。

Linux操作系统下的LED驱动程序:

在这里,我们只需要有一个感性的认识即可,那就是上图中陌生的结构和元素都是Linux内核为设备定义的,在后面的学习中,我们只需要会使用即可(都是套路)。

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NCP5603 白光LED驱动器 高效率 电荷泵转换器

HBL5006 LED电子分流器

6系列是电子分流器,在LED进入开路状态时提供电流旁路。当受到瞬态和喘振条件时,LED本质上非常脆弱。还有许多情况必须保持LED照明的高可靠性,例如前灯,灯塔,桥梁,飞机,跑道等。在这些情况下,分流装置的低成本添加将充分保证如果一个LED失效打开,整串LED将不会熄灭。分流装置也适用于需要电路连续性的其他负载。这些器件设计用于30至500 mA的电流。 特性 双向设备 如果LED自行恢复或被替换,则自动重新安装 导通电压通常为1.1 V 关断状态电流小于1.0μA 需要UniqueSite和控制变更要求的汽车和其他应用的SZ前缀; AEC-Q101合格且PPAP能力 这些器件无铅且符合RoHS标准 应用 预防性维护不切实际的LED 汽车LED大灯 汽车LED应用 具有高可靠性要求的LED 开路条件下的撬棍保护 敏感电路的过压保护 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:48 33次 阅读
HBL5006 LED电子分流器

HBL1015 LED分流器

5 / 25系列是电子分流器,在LED进入开路状态时提供电流旁路。当受到瞬态和浪涌条件时,LED是非常脆弱的。在许多情况下,LED照明的高可靠性必须保持,例如在前灯,灯塔,桥梁,飞机,跑道等中。在这些情况下,HBL设备的低成本添加将充分保证如果一个LED失效打开,整个LED串将会熄灭。 HBL器件也适用于需要电路连续性的其他负载。这些设备可以使用140至500 mA的电流。 特性 双向设备 如果LED自行恢复或已更换,则自动重置 导通电压通常为1.8 V 关断状态电流小于0.5μA 这些是无铅设备 应用 预防性维护不切实际的LED LED大灯 具有高可靠性要求的LED 开路条件下的撬棒保护 敏感电路的过压保护 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:48 26次 阅读
HBL1015 LED分流器

HBL1025 LED分流器

信息 HBL1015 / 25系列是电子分流器,在LED进入开路状态时提供电流旁路。当经受瞬态和浪涌条件时,LED非常脆弱。在许多情况下,必须保持LED照明的高可靠性,例如前灯,灯塔,桥梁,飞机,跑道等。在这些情况下,HBL设备的低成本添加将充分保证如果一个LED失效打开,整个LED串将会熄灭。 HBL器件也适用于需要电路连续性的其他负载。设备可以使用140至500 mA的电流。 双向设备 如果LED自身恢复或更换,则自动重置 ON状态电压通常1.8 V 关断状态电流小于0.5μA 这些是无铅器件...
发表于 04-18 20:48 19次 阅读
HBL1025 LED分流器

LC75805PE LCD驱动器,1/1至1/4负载,带LED驱动器,通用

信息 LC75805PE是1/1至1/4占空比的通用LCD显示驱动器,LED驱动器通过控制器控制用于仪表板显示。此外,LC75805PE能够直接驱动多达48个LED和最多140个段的LCD,并具有内置的7ch PWM功能,用于LED的亮度调节。此外,由于内置振荡器电路,可以减少外部电阻和电容振荡。 静态驱动开关,1/2负载驱动,1/3负载驱动和1/4负载驱动器可通过串行数据控制。 静态驱动器(1/1负载驱动器):最多可驱动38段。 1/2负载驱动器:能够驱动 1/3 Duty Drive:最多可驱动108段。 1/4 Duty Drive:最多可驱动140段。 通用和段输出波形的帧频可以通过串行数据控制。 打开/关闭LED可以通过串行数据控制。 (最多可驱动48个LED) 内置7ch PWM功能,用于LED的亮度调节。 (128步的分辨率) LED驱动器输出波形的帧频可以通过串行数据控制。 串行数据输入支持与系统控制器的“计算机控制总线”格式通信。 (支持5 V操作) 备份功能和通过省电模式强制关闭所有段可由串行数据控制。 内部振荡器操作模式和外部开关时钟操作模式可以通过串行数据控制。 通用性很高,因为显示数据直接显示而无需解码器电路的干预。 INH引脚允许强制显示 内置振荡器...
发表于 04-18 20:26 72次 阅读
LC75805PE LCD驱动器,1/1至1/4负载,带LED驱动器,通用

LM3644 双 1.5A 电流源相机闪光灯 LED 驱动器

信息描述 LM3644 是一款双 LED 闪存驱动器,能够以较小的解决方案尺寸提供高度可调节性。LM3644 采用 2MHz 或 4MHz 固定频率同步升压转换器为 1.5A 恒流 LED 源供电。 两个 128 级电流源可灵活调整 LED1 与 LED2 之间的电流比,。自适应调节方法可确保电流源保持可调节状态,并且最大限度地提升效率。 LM3643 LM3644 的功能由兼容 I2C 的接口控制。这些 功能 包括:硬件闪光灯和硬件手电筒引脚(STROBE 和 TORCH/TEMP)、TX 中断和负温度系数 (NTC) 热敏电阻监视器。器件在每个输出引脚均提供了可独立编程的电流,以便在闪存模式或录像(手电筒)模式条件下驱动 LED。该器件的开关频率选项为 2MHz 或 4MHz,具备过压保护 (OVP) 和可调节限流功能,因此可采用微型超薄电感和 10μF 陶瓷电容。该器件的工作环境温度范围为 -40°C 至 +85°C。特性 两个可独立编程的 1.5A LED 电流源 准确的可编程 LED 电流范围为 1.4mA 到 1.5A 手电筒电流最高可达 360mA (LM3644TT) 闪光灯超时值最长可达 1.6 秒 (LM3644TT) 优化了低电池电量条件下的闪存 LED 电流(输入电压闪存监控器 (IVFM)) 手...
发表于 04-18 20:25 36次 阅读
LM3644 双 1.5A 电流源相机闪光灯 LED 驱动器

LM36010 LM36010同步升压LED闪光灯驱动器

信息描述The LM36010 is an ultra-small LED flash driver that provides a high level ofadjustability. With a total solution size of 7 mm2, it can produce up to1.5 A of LED flash current or up to 376 mA of torch current.The device utilizes a 2-MHz or 4-MHz fixed-frequency,synchronous boost converter to power the 1.5-A constant current LED source. An adaptive regulationmethod ensures the current source remains in regulation and maximizes efficiency as it controls thecurrent from 11 mA up to 1.5 A in flash mode or from 2.4 mA up to 376 mA in torch mode.Features of the LM36010 are controlled via an I2C-compatibleinterface. These features include: hardware flash (STROBE) and 128 programmable currents for bothflash and movie mode (torch). The 2-MHz or 4-MHz switching frequency, overvoltage protection (OVP),and adjustable current limit allow for the use of tiny, low-profile inductors and ceramiccapacitors. The device operates over a –40°C to ...
发表于 04-18 20:25 85次 阅读
LM36010 LM36010同步升压LED闪光灯驱动器

LM36011 LM36011同步升压LED闪光灯驱动器

信息描述LM36011 是一款超小型 LED 闪光灯驱动器,具有高度可调节性。总解决方案尺寸为 4mm2,可提供高达 1.5A 的 LED 闪光灯电流或高达 376mA 的手电筒电流。以上所有的操作均可通过精确的可编程电流源来完成,无需预调节电压,从而减小解决方案尺寸并节省成本。 LM36011 的功能由与 I2C 兼容的接口控制。这些 特性 包括:硬件闪光灯 (STROBE)、闪光灯超时、UVLO、热比例缩减、LED 故障检测以及适用于闪光灯和影片模式(手电筒)的 128 级可编程电流。该器件可在 -40°C 至 +85°C 的环境温度范围下工作。特性精确且可编程 LED 电流闪光灯/IR 电流范围:11mA 至 1.5A(128 个级别) 手电筒电流范围:2.4mA 至 376mA(128 个级别) 闪光灯超时时间长达 1.6 秒优化了低电池电量条件下的闪光灯 LED 电流 (IVFM) LED 阴极对地短路运行以提高热管理 较小的总体解决方案尺寸:< 4mm2 硬件闪光灯使能 (STROBE)输入电压范围:2.5V 至 5.5V400kHz I2C 兼容接口I2C 地址 = 0x64All trademarks are the property of their respective owners....
发表于 04-18 20:24 150次 阅读
LM36011 LM36011同步升压LED闪光灯驱动器

LM3648 LM3648 具有 1.5A 高侧电流源的同步升压 LED 闪存驱动器

信息描述 LM3648 是一款 LED 闪光灯驱动器,其采用小型解决方案尺寸,并且具备更强的适应能力。 LM3648 采用 2MHz 或 4MHz 固定频率的同步升压转换器为 1.5A LED 恒流源供电。 自适应调节方法确保电流源保持可调节状态,并且最大限度地提高效率。 LM3648 的功能通过 I2C 兼容接口进行控制。 其功能包括:硬件闪光灯和硬件手电筒引脚(STROBE 和 TORCH/TEMP)、TX 中断以及 NTC 热敏电阻监视器。 该器件在闪光灯模式下可提供 64 种电流,在摄像模式(手电筒)下可提供 128 种电流。而且还提供有 2MHz 或 4MHz 开关频率选项、过压保护 (OVP) 功能以及可调限流功能,允许使用微型、超薄的电感器和 (10μF) 陶瓷电容。 该器件的工作环境温度范围为 -40°C 至 85°C。特性 1.5A LED 电流源可编程性 精确的可编程 LED 电流范围为 1.954mA 至 1.5A 优化了低电池电压条件下的闪存 LED 电流(输入电压闪存监控器 (IVFM)) 在火炬模式 (@ 100mA) 和闪存模式(@1A 至 1.5A)下效率超过 85% 支持阴极接地 LED 操作,改进了热管理 小型解决方案尺寸:< 16mm2 硬件选通使能 (STROBE)射频功率放大器脉冲事...
发表于 04-18 20:24 79次 阅读
LM3648 LM3648 具有 1.5A 高侧电流源的同步升压 LED 闪存驱动器

TLC59582 48 通道、16 位 ES-PWM LED 驱动器,具有预充电 FET、LOD Caterpillar 和

信息描述The TLC59581/82are 48-channel constant-current sink drivers. Each channel has an individually-adjustable, 65536-step, pulse width modulation (PWM) grayscale (GS) brightness control.The TLC59581 can support 32-multiplexing while TLC59582 can support 16-multiplexing.The output channels are divided into three groups. Each group has a 512-step color brightness control (CC). CC adjusts brightness control between colors. The maximum current value of all 48 channels can be set by 8-step global brightness control (BC). BC adjusts brightness deviation between LED drivers. GS, CC and BC data are accessible through a serial interface port.See application note Build High Density, High Refresh Rate, Multiplexing LED Panel with TLC59581, SLVA744. The TLC59581/82 device has one error flag: the LED open detection (LOD), which can be read through a serial interface port. To resolve this caterpillar issue caused by an open L...
发表于 04-18 20:09 90次 阅读
TLC59582 48 通道、16 位 ES-PWM LED 驱动器,具有预充电 FET、LOD Caterpillar 和

TLC5958 具有 48k 位存储器的 48 通道、16 位 PWM LED 驱动器

信息描述TLC5958 是一款 48 通道恒流灌电流驱动器,适用于占空比为 1 至 32 的多路复用系统。 每个通道都具有单独可调的 65536 步长脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS)。采用 48K 位显示存储器以提升视觉刷新率,同时降低 GS 数据写入频率。输出通道分为三组,每组含 16 个通道。 各组都具有 512 步长颜色亮度控制 (CC) 功能。 全部 48 通道的最大电流值可通过 8 步长全局亮度控制 (BC) 功能设置。 CC 和 BC 可用于调节 LED 驱动器之间的亮度偏差。 可通过一个串行接口端口访问 GS、CC 和 BC 数据。如需应用手册:,请通过电子邮件发送请求。TLC5958 有一个错误标志:LED 开路检测 (LOD),可通过串行接口端口读取。 TLC5958 还具有节电模式,可在全部输出关闭后将总流耗设为 0.8mA(典型值)。特性 48 通道恒流灌电流输出具有最大亮度控制 (BC)/最大颜色亮度控制 (CC) 数据的灌电流: 5VCC 时为 25mA 3.3VCC 时为 20mA 全局亮度控制 (BC):3 位(8 步长) 每个颜色组的颜色亮度控制 (CC):9 位(512 步长),三组使用多路复用增强型光谱 (ES) PWM 进行灰度 (GS) 控制:16 位 支持 32 路多路复用的 48K 位灰度数据...
发表于 04-18 20:08 217次 阅读
TLC5958 具有 48k 位存储器的 48 通道、16 位 PWM LED 驱动器

TLC59116 16 通道 Fm+ I2C 总线恒流下沉式 LED 驱动器

信息描述The TLC59116 is an I2C bus controlled 16-channel LED driver that is optimized for red/green/blue/amber (RGBA) color mixing and backlight application. Each LED output has its own 8-bit resolution (256 steps) fixed-frequency individual PWM controller that operates at 97 kHz, with a duty cycle that is adjustable from 0% to 99.6%. The individual PWM controller allows each LED to be set to a specific brightness value. An additional 8-bit resolution (256 steps) group PWM controller has both a fixed frequency of 190 Hz and an adjustable frequency between 24 Hz to once every 10.73 seconds, with a duty cycle that is adjustable from 0% to 99.6%. The group PWM controller dims or blinks all LEDs with the same value. Each LED output can be off, on (no PWM control), or set at its individual PWM controller value at both individual and group PWM controller values. The TLC59116 operates with a supply voltage range of 3 V to 5....
发表于 04-18 20:08 114次 阅读
TLC59116 16 通道 Fm+ I2C 总线恒流下沉式 LED 驱动器

TLC59581 48 通道、16 位 ES-PWM LED 驱动器,具有预充电 FET、LOD Caterpillar 和

信息描述 TLC59581 是一款 48 通道恒定灌电流驱动器。每个通道都具有单独可调的 65536 步长脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS) 亮度控制。输出通道分为三组。各组都具有 512 步长颜色亮度控制 (CC) 功能。CC 可调节颜色之间的亮度。全部 48 通道的最大电流值可通过 8 步长全局亮度控制 (BC) 功能设置。BC 调节 LED 驱动器之间的亮度偏差。可通过一个串行接口端口访问 GS、CC 和 BC 数据。TLC59581 具有一个错误标志:LED 开路检测 (LOD)。该标志可通过串行接口端口读取。为解决开路 LED 引发的此类 caterpillar 问题,TLC59581 器件具有一个增强型电路。该电路可提供 caterpillar 效应消除、热关断 (TSD) 和 IREF 电阻短路保护 (ISP) 功能,以确保较高的系统稳定性。TLC59581 器件还具有节电模式,可在输出全部关闭后将总流耗降为 0.8mA(典型值)。TLC59581 器件是一款提升多路复用面板低灰度显示模式性能的良好解决方案。请参见应用笔记,SLVA744。特性 48 个恒定灌电流输出通道 具有最大亮度控制 (BC)/最大颜色亮度控制 (CC) 数据的灌电流:5 VCC 时为 25mA 3.3 VCC 时为 20mA 全局亮度控制 (BC):...
发表于 04-18 20:08 98次 阅读
TLC59581 48 通道、16 位 ES-PWM LED 驱动器,具有预充电 FET、LOD Caterpillar 和

TLC5951-DIE 具有 7 位点校正和 3 组 8 位全局亮度控制功能的 24 通道、12 位 PWM LED 驱动器

信息描述 TLC5951是一款 24 通道,恒定灌电流驱动器。 每个通道具有一个独立可调节,4096 步长,脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS) 亮度控制和 128 步长的恒定电流点校正 (DC)。 此点校正调节通道和其它 LED 驱动器之间的亮度偏差。 输出通道是被分成三组的 8 个通道。 每个通道组有一个 256 步长全局亮度控制 (BC) 功能和一个独立的灰度时钟输出。可通过一个串行接口访问 GS,DC 和 BC 数据。 通过一个专用串行端口可对 DC 和 BC 进行编程。TLC5951 有三个针对 LED 开路检测 (LOD),LED 短路检测 (LSD) 和热错误标志 (TEF) 的错误检测电路。 LOD 检测损坏或者断开的 LED,而 LSD 检测一个短接的 LED。 TEF 表示一个过热条件。特性 24 通道恒定灌电流输出 电流功能 使用 PWM 的可选灰度 (GS) 控制:12 位(4096 步长),10 位(1024 步长),8 位(256 步长)针对三色组的三个独立灰度时钟 点校正 (DC):7 位(128 步长) 针对每个颜色组的全局亮度控制 (BC):8 位(256 步长) 自动重复显示功能 针对 GS,BC 和 DC 数据的独立数据端口 每个数据端口间的通信路径 LED 电源电压 VCC=3.0V 至 5.5V...
发表于 04-18 20:08 73次 阅读
TLC5951-DIE 具有 7 位点校正和 3 组 8 位全局亮度控制功能的 24 通道、12 位 PWM LED 驱动器