Android驅動開發：實現硬件與操作系統的通信

一、驅動程序基礎

驅動程序是與硬件設備緊密配合的軟件程序，目的是讓硬件設備能夠被操作系統調用並提供服務。在Android系統中，驅動程序可以通過內核模塊或用戶空間程序實現，其中以內核模塊的形式最為常見。內核模塊的主要職責是向用戶空間提供設備文件，使得用戶空間程序能夠對硬件設備進行讀寫操作。

下面是一段簡單的Android內核驅動程序代碼，代碼中展示了一個設備驅動程序的基本結構：

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下的設備驅動開發

在Android系統中，設備驅動程序主要分為兩類：字符設備驅動和塊設備驅動。其中，字符設備驅動程序用於操作數據流，如串口和音頻輸入輸出設備；塊設備驅動程序則用於處理文件系統，如硬盤和內存卡。

Android的驅動開發主要涉及Kconfig、Makefile、設備樹等文件的配置。開發者需要了解各種文件的作用，方能順利進行開發。例如，在Kconfig文件中需要配置設備類型和驅動程序的選項，而在Makefile中則需要將驅動程序包含到Android系統中，並指定編譯順序和依賴文件。

下面是一段簡單的Android設備驅動程序代碼，代碼展示了一個字符設備驅動程序的實現：

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、硬件與操作系統之間的通信

在Android系統中，硬件設備可通過I2C、SPI、UART、USB等接口與處理器通信。為了讓處理器能夠識別和驅動這些硬件設備，需要在設備驅動程序中實現硬件與操作系統之間的通信。

設備驅動程序中的通信主要可分為以下兩類：

1. 控制指令傳輸。設備驅動程序可通過寄存器等方式向硬件設備發送控制指令，從而控制硬件設備的工作狀態。
2. 數據傳輸。設備驅動程序可實現數據在硬件設備和操作系統之間的傳輸，通常涉及到中斷處理、DMA等技術。

下面是一段示例程序，展示了設備驅動程序如何通過IO控制指令向硬件設備傳輸控制信號的過程：

#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");