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驱动基础

设备驱动介绍

驱动程序全称设备驱动程序，是添加到操作系统中的特殊程序，其中包含有关硬件设备的信息。

驱动程序能使计算机与相应的设备进行通信。

设备驱动分类：

根据设备读写操作的特征差异，设备驱动大致上可以分为三类：

• 字符设备：即“字节设备”，软件操作设备时，以字节为单位进行。
• 块设备： 设备的块大小是设备本身设计时定义好的，软件无法更改。
• 网络设备：网络设备是专为网卡设计的驱动模型，主要用于支持 API 中 socket 相关函数的工作。

HDF驱动框架

HDF (Hardware Driver Foundation) 硬件驱动框架，为驱动开发者提供驱动框架能力，包括驱动加载、驱动服务管理和驱动消息机制管理。旨在构建统一的驱动架构平台，为驱动开发者提供更精准、更高效的开发环境，力求做到一次开发，多系统部署。

HDF驱动模型图解：

驱动框架能力-驱动加载：

• 按需加载：HDF 框架定义了驱动按需加载方式的策略，是由配置文件中的 preload 字段来控制， preload 字段的取值范围以及含义如下：

• 按序加载：配置文件中的 priority （取值范围为整数 0 到 200 ）是用来表示 host 和驱动的优先级。驱动的加载顺序，优先根据 host 的 priority 决定，其次是同一个 host 内驱动的priority 值。

驱动框架能力-驱动服务管理：

• 驱动服务是HDF驱动设备对外提供能力的对象，由HDF框架统一管理。
• 驱动服务管理主要包含驱动服务的发布和获取。
• HDF框架定义了驱动对外发布服务的策略，是由配置文件中的policy字段来控制，policy字段的取值范围以及含义如下：

驱动框架能力-驱动消息机制管理

• 使用场景

  当用户态应用和内核态驱动需要交互时，可以使用HDF框架的消息机制来实现。

  • 消息机制的功能主要有以下两种：

    • 用户态应用发送消息到驱动
    • 用户态应用接受驱动主动上报事件

    

驱动开发

基于HDF框架进行驱动的开发主要分为两个主要部分：驱动实现和驱动配置。

驱动业务代码

#define HDF_LOG_TAG "sample_driver" // 打印日志所包含的标签，如果不定义则用默认定义的HDF_TAG标签
// 驱动对外提供的服务能力，将相关的服务接口绑定到HDF框架
int32_t HdfSampleDriverBind(struct HdfDeviceObject *deviceObject){
    HDF_LOGD("Sample driver bind success");
    return 0;
}
// 驱动自身业务初始的接口
int32_t HdfSampleDriverInit(struct HdfDeviceObject *deviceObject){
    HDF_LOGD(“Sample driver Init success”);
    return 0;
}
// 驱动资源释放的接口
void HdfSampleDriverRelease(struct HdfDeviceObject *deviceObject){
    HDF_LOGD("Sample driver release success");
    return;
}

驱动入口注册

// 定义驱动入口的对象，必须为HdfDriverEntry（在hdf_device_desc.h中定义）类型的全局变量
struct HdfDriverEntry g_sampleDriverEntry = {
    .moduleVersion = 1,
    .moduleName = "sample_driver",
    .Bind = HdfSampleDriverBind,
    .Init = HdfSampleDriverInit,
    .Release = HdfSampleDriverRelease,
};
// 调用HDF_INIT将驱动入口注册到HDF框架中，在加载驱动时HDF框架会先调用Bind函数,再调用Init函数加载该驱动，当Init调用异常时，HDF框架会调用Release释放驱动资源并退出。
HDF_INIT(g_sampleDriverEntry);

驱动编译

驱动代码的编译必须要使用 HDF 框架提供的 Makefile 模板进行编译：

include $(LITEOSTOPDIR)/../../drivers/adapter/lite/khdf/lite.mk #导入hdf预定义内容，必需
MODULE_NAME := #生成的结果文件
LOCAL_INCLUDE := #本驱动的头文件目录
LOCAL_SRCS :=
#本驱动的源代码文件
LOCAL_CFLAGS ：= #自定义的编译选项
include $(HDF_DRIVER) #导入模板makefile完成编译

编译结果文件链接到内核镜像，示例如下：

LITEOS_BASELIB += -lxxx #链接生成的静态库
LIB_SUBDIRS +=
#驱动代码Makefile的目录

驱动设备描述

HDF 框架加载驱动所需要的信息，来源于 HDF 框架定义的驱动设备描述，因此基于 HDF 框架开发的驱动必须要在 HDF 框架定义的 device_info.hcs 配置文件中添加对应的设备描述，驱动的设备描述填写如下所示：

host节点是用来存放某一类驱动的容器

sample_host :: host{
    hostName = "host0"; // host名称，host节点是用来存放某一类驱动的容器
    priority = 100;
    // host启动优先级（0-200），值越大优先级越低，建议默认配100，优先级相同则不保证host的加载顺序
    device_sample :: device {
    // sample设备节点
    device0 :: deviceNode {
    // sample驱动的DeviceNode节点
    policy = 1;
    // policy字段是驱动服务发布的策略
    priority = 100;
    // 驱动启动优先级（0-200），值越大优先级越低，建议默认配100，优先级相同则不保证device的加载顺序
    preload = 0;
    // 驱动按需加载字段
    permission = 0664;
    // 驱动创建设备节点权限
    moduleName = "sample_driver"; // 驱动名称，该字段的值必须和驱动入口结构的moduleName值一致
    serviceName = "sample_service"; // 驱动对外发布服务的名称，必须唯一
    deviceMatchAttr = "sample_config"; // 驱动私有数据匹配的关键字，必须和驱动私有数据配置表中的match_attr值相等

配置管理

HCS (HDF Configuration Source) 是 HDF 驱动框架的配置描述源码，内容以 Key-Value （键值对）为主要形式。配置代码与驱动代码解耦，便于配置管理。

HC-GEN (HDF Configuration Generator) 是 HCS 配置转换工具。

驱动平台介绍

HarmonyOS 提供统一的驱动平台，用于实现串口控制、数据通信、时间控制、 CPU 复位、模数转换、脉冲宽度调制等功能。

驱动平台 GPIO 简介

GPIO (General-purpose input/output) 即通用型输入输出。通俗地说， GPIO 口就是一些引脚，可以通过它们输出高低电平或者读入引脚的高低电平状态。 GPIO 控制器通过分组的方式管理所有GPIO 管脚，每组 GPIO 有一个或多个寄存器与之关联，通过读写寄存器完成对 GPIO 管脚的操作。

GPIO 是芯片上一根能完成多种功能的管脚，用户可以通过 GPIO 口和硬件进行数据交互（如UART ），控制硬件工作（如 LED ，蜂鸣器等），读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。

UART简介

UART是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）的缩写，是通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输。

UART的所有接口仅限内核态使用，不支持在用户态使用。

I2C简介

I2C (Inter Integrated Circuit) 集成电路间总线是由 Philips 公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。

I2C 以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或者多个从设备，主从设备通过 SDA (SerialData) 串行数据线以及 SCL (SerialClock) 串行时钟线两根线相连。

I2C通信时序

I2C 时序主要有四个元素组成：起始信号，终止信号，应答 (0) ，非应答 (1) 。

I2C数据传输

I2C 数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。数据传输以字节为单位，高位在前，逐个 bit 进行传输。

SPI简介

SPI 是串行外设接口 (Serial Peripheral Interface) 的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。

SPI 是由 Motorola 公司开发，用于在主设备和从设备之间进行通信，常用于与闪存、实时时钟、传感器以及模数转换器等进行通信。

一个主设备和两个从设备的连接示意图所示，从设备 A 和从设备 B 共享主设备的 SCLK 、 MISO 和 MOSI 三根引脚，从设备 A 的片选 CS0 连接主设备的 CS0 ，从设备 B 的片选 CS1 连接主设备的 CS1 。

SDIO简介

SDIO 是安全数字输入输出接口 (Secure Digital Input and Output) 的缩写，是从 SD 内存卡接口的基础上演化出来的一种外设接口。 SDIO 接口兼容以前的 SD 内存卡，并且可以连接支持 SDIO 接口的设备。

SDIO 常用于移动端设备例如手机的外设开发，使得设备外接外设更加容易，常见的 SDIO 外设有 WLAN 设备、 GPS 、 CAMERA 、蓝牙。

RTC简介

RTC(real-time clock) 为操作系统中的实时时钟设备，为操作系统提供精准的实时时间和定时报警功能。当设备下电后，通过外置电池供电， RTC 继续记录操作系统时间；设备上电后， RTC 提供实时时钟给操作系统，确保断电后系统时间的连续性。

以 STM32F103 芯片为例，其内部有独立供电的实时时钟和单独的振荡电路，无需外接时钟芯片。

WATCHDOG

看门狗 (watchdog) ，又叫看门狗计时器 (watchdog timer) ，是一种硬件的计时设备，当系统的主程序发生某些错误时，导致未及时清除看门狗计时器的计时值，这时看门狗计时器就会对系统发出复位信号，使系统从悬停状态恢复到正常运作状态。

看门狗可以看成是一种特殊的定时器，只不过定时时间到了之后不只是产生中断，还可以复位 CPU 。

ADC

ADC (Analog to Digital Converter) 模数转换器。现实生活中的所有属性（如温度、湿度、光照强度等）都是连续的，即为模拟信号；而单片机或电子计算机所能识别的信号都是离散的数字信号。此时，若是需要使用现实世界中的各种属性，就需要一种设备将模拟信号转换为数字信号，它就是模数转换器。

模数转换一般要经过采样、量化和编码这几个步骤。

PWM

PWM (Pulse Width Modulation) 又叫脉冲宽度调制，它是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形（包含形状以及幅值），对模拟信号电平进行数字编码，也就是说通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化。占空比就是指在一个周期内，信号处于高电平的时间占据整个信号周期的百分比，例如方波的占空比就是 50% 。