Android驱动开发：实现硬件与操作系统的通信

一、驱动程序基础

驱动程序是与硬件设备紧密配合的软件程序，目的是让硬件设备能够被操作系统调用并提供服务。在Android系统中，驱动程序可以通过内核模块或用户空间程序实现，其中以内核模块的形式最为常见。内核模块的主要职责是向用户空间提供设备文件，使得用户空间程序能够对硬件设备进行读写操作。

下面是一段简单的Android内核驱动程序代码，代码中展示了一个设备驱动程序的基本结构：

static struct file_operations hello_fops = {
    .owner      = THIS_MODULE,
    .read       = hello_read,
    .write      = hello_write,
};


static int __init hello_init(void)
{
    if (register_chrdev(hello_major, "hello", &hello_fops)) {
        printk(KERN_ERR "hello: register_chrdev() failed\n");
        return -ENODEV;
    }
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    unregister_chrdev(hello_major, "hello");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_AUTHOR("Author Name");
MODULE_DESCRIPTION("Description");
MODULE_LICENSE("GPL");

二、Android下的设备驱动开发

在Android系统中，设备驱动程序主要分为两类：字符设备驱动和块设备驱动。其中，字符设备驱动程序用于操作数据流，如串口和音频输入输出设备；块设备驱动程序则用于处理文件系统，如硬盘和内存卡。

Android的驱动开发主要涉及Kconfig、Makefile、设备树等文件的配置。开发者需要了解各种文件的作用，方能顺利进行开发。例如，在Kconfig文件中需要配置设备类型和驱动程序的选项，而在Makefile中则需要将驱动程序包含到Android系统中，并指定编译顺序和依赖文件。

下面是一段简单的Android设备驱动程序代码，代码展示了一个字符设备驱动程序的实现：

int hello_major = 0;

static ssize_t hello_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    printk(KERN_INFO "hello: read()\n");
    return 0;
}

static ssize_t hello_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    printk(KERN_INFO "hello: write()\n");
    return count;
}

static struct file_operations hello_fops = {
    .owner      = THIS_MODULE,
    .read       = hello_read,
    .write      = hello_write,
};


static int hello_init(void)
{
    hello_major = register_chrdev(0, "hello", &hello_fops);
    if (hello_major < 0) {
        printk(KERN_ERR "hello: register_chrdev() failed\n");
        return hello_major;
    }
    printk(KERN_INFO "hello: module loaded\n");
    return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
    unregister_chrdev(hello_major, "hello");
    printk(KERN_INFO "hello: module unloaded\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_AUTHOR("Author Name");
MODULE_DESCRIPTION("Description");
MODULE_LICENSE("GPL");

三、硬件与操作系统之间的通信

在Android系统中，硬件设备可通过I2C、SPI、UART、USB等接口与处理器通信。为了让处理器能够识别和驱动这些硬件设备，需要在设备驱动程序中实现硬件与操作系统之间的通信。

设备驱动程序中的通信主要可分为以下两类：

1. 控制指令传输。设备驱动程序可通过寄存器等方式向硬件设备发送控制指令，从而控制硬件设备的工作状态。
2. 数据传输。设备驱动程序可实现数据在硬件设备和操作系统之间的传输，通常涉及到中断处理、DMA等技术。

下面是一段示例程序，展示了设备驱动程序如何通过IO控制指令向硬件设备传输控制信号的过程：

#define DEV_NAME         "dev_name"
#define CMD_SET_POWER    1
#define CMD_READ_TEMP    2

struct dev_info {
    int power;
    int temp;
};

static struct dev_info dev;

static int dev_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    switch (cmd) {
    case CMD_SET_POWER:
        if (copy_from_user(&dev.power, (int __user *)arg, sizeof(int))) {
            return -EFAULT;
        }
        // send power control command to device
        break;
    case CMD_READ_TEMP:
        // read temperture from device
        // and return to user space
        if (copy_to_user((int __user *)arg, &dev.temp , sizeof(int))) {
            return -EFAULT;
        }
        break;
    default:
        return -ENOTTY;
    }
    return 0;
}

static struct file_operations dev_fops = {
    .owner      = THIS_MODULE,
    .unlocked_ioctl         = dev_ioctl,
    .compat_ioctl           = dev_ioctl,
};

static int __init dev_init(void)
{
    memset(&dev, 0, sizeof(dev));
    // initialize device
    return 0;
}

static void __exit dev_exit(void)
{
    // release device resources
}

module_init(dev_init);
module_exit(dev_exit);
MODULE_AUTHOR("Author Name");
MODULE_DESCRIPTION("Description");
MODULE_LICENSE("GPL");