什么是驱动？

在嵌入式开发中，驱动（Driver） 是连接硬件设备与操作系统或应用程序之间的软件桥梁。它是一段专门编写的代码，用于控制和管理特定的硬件外设（如传感器、显示屏、串口、网卡、摄像头等），使上层软件能够以标准化的方式与硬件进行通信。

一、什么是驱动？

简单定义：

驱动是让软件“认识”并“控制”硬件的程序。

类比理解：

想象你买了一个新的打印机：

• 打印机是硬件
• 你的电脑操作系统（如 Linux、RTOS）本身“不认识”这个打印机
• 你需要安装一个打印机驱动程序
• 安装后，操作系统就知道如何发送数据、控制打印、获取状态

在嵌入式系统中，这个过程是一样的，只不过驱动通常直接编译进系统镜像，而不是用户后期安装。

二、驱动的作用（为什么需要驱动？）

1. 屏蔽硬件差异，提供统一接口

不同的硬件厂商生产的同类设备（比如 I2C 温度传感器 TMP102 和 LM75）寄存器、通信时序可能不同。

驱动的作用就是：

• 对上层提供统一的 API（如 read_temperature()）
• 对下层处理具体的硬件细节（读哪个寄存器、发什么命令）

这样，应用程序不需要关心用的是 TMP102 还是 LM75，只要调用同一个函数就行。

✅ 好处： 软件可移植性强，更换硬件时只需换驱动，不用改应用。

2. 实现硬件初始化和配置

硬件上电后通常是“沉默”的，需要软件进行初始化才能工作。

例如一个 LCD 显示屏驱动需要：

• 配置电源引脚
• 发送初始化命令序列（如设置分辨率、颜色格式）
• 配置 DMA 或帧缓冲区
• 启动显示

这些复杂的操作都封装在显示驱动中。

3. 处理中断和异步事件

很多外设通过中断通知 CPU 事件发生，比如：

• 按键被按下
• 串口收到数据
• 触摸屏有触摸

驱动负责：

• 注册中断处理函数（ISR）
• 在中断发生时读取数据或状态
• 将数据传递给上层（如操作系统或应用）

4. 管理硬件资源

驱动需要安全地使用以下资源：

• GPIO 引脚（控制高低电平）
• I2C、SPI、UART 总线（通信）
• 内存映射寄存器（MMIO）
• DMA 通道（高效传输大数据）

驱动确保这些资源不被多个程序同时占用，避免冲突。

5. 实现设备文件接口（在 Linux 中）

在嵌入式 Linux 系统中，驱动通常会创建一个设备文件，如：

• /dev/ttyS0 → 串口
• /dev/i2c-1 → I2C 总线
• /dev/input/event0 → 触摸屏

应用程序可以通过标准的 open()、read()、write()、ioctl() 系统调用来操作硬件，就像操作文件一样。

int fd = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);
ioctl(fd, I2C_SLAVE, 0x48);  // 设置从机地址
read(fd, &temp, 2);          // 读取温度数据

这背后就是I2C 驱动在工作。

三、驱动的类型（常见分类）

四、驱动在系统中的位置

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|     应用程序         |  ← 使用标准 API（如 read/write）
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|   操作系统（OS）      |  ← 提供系统调用接口
+---------------------+
|     驱动程序（Driver） |  ← 直接操作硬件寄存器
+---------------------+
|     硬件（Hardware）   |  ← MCU、传感器、显示屏等
+---------------------+

• 驱动运行在内核态（Kernel Space），有权限直接访问硬件
• 应用运行在用户态（User Space），通过系统调用间接使用硬件

五、为什么必须要有驱动？

💡 没有驱动，硬件就是一堆废铁。

六、举个实际例子：LED 驱动

假设你有一个 LED 连接到 GPIO 引脚：

// 没有驱动：你需要直接操作寄存器（危险且不可移植）
*((volatile uint32_t*)0x40020C00) |= (1 << 5);  // 直接写寄存器点亮 LED

// 有驱动：使用标准接口
led_open();
led_on();  // 驱动内部处理寄存器操作

驱动封装了底层细节，让你只需调用 led_on() 就能点亮 LED，无论它接在哪个引脚、哪个芯片上。

总结

✅ 一句话总结：

驱动是让嵌入式系统“活”起来的关键——它让冰冷的硬件听懂了软件的“语言”。