《Arm驱动程序设计》课件

驱动程序设计Arm本课件将深入探讨Arm架构下的驱动程序设计，重点讲解驱动程序的开发流程、架构以及关键技术架构概述Arm架构处理器处理器核心指令集体系结构Arm ARMArmArm架构是一种广泛应用于移动设备、嵌Arm处理器核心是Arm架构的核心组成部Arm指令集是Arm处理器执行指令的语入式系统和服务器的处理器架构它以其分，它负责执行指令和处理数据Arm处言，它定义了处理器如何理解和执行指高性能、低功耗和高可扩展性而闻名理器核心可以是单核或多核，并具有不同令的性能和功耗特性处理器核心Arm架构系列ARMv8-A Cortex-A基于ARMv8-A架构，支持64位Cortex-A系列处理器面向高性计算，提高性能和效率能应用，例如智能手机、平板电脑和服务器技术技术NEON TrustZoneNEON技术加速数字信号处理和TrustZone技术增强系统安全媒体处理任务，提高应用性能性，保护敏感数据和代码指令集体系结构Arm指令集概述指令集ThumbArm指令集是Arm处理器执行的指令集合它Thumb指令集是Arm指令集的一个子集，使定义了处理器的操作方式和指令格式，并提供用16位指令，适用于代码空间有限的场景，例一系列指令，用于执行不同的任务如嵌入式系统指令集指令集ARM AArch64ARM指令集是Arm指令集的另一个子集，使AArch64指令集是Arm的64位指令集，提供用32位指令，提供更强的功能和性能，适用于了更大的地址空间和更强大的计算能力，适用需要更强大计算能力的场景于高性能计算和大型数据处理场景内存管理机制Arm虚拟内存内存分配内存保护内存管理单元MMUArm架构支持虚拟内存，将操作系统通过页表管理虚拟Arm架构提供硬件机制，例MMU是负责虚拟地址到物理物理内存映射到虚拟地址空地址到物理地址的映射关如内存访问权限控制，防止地址转换的硬件单元，它使间，实现内存保护和共享系，实现动态内存分配和回程序非法访问内存区域用页表来维护地址映射关收系虚拟内存地址空间由多个内通过内存保护机制，可以防存区域组成，包括代码段、内存分配算法包括首次适应止恶意软件破坏系统或其他MMU支持多种内存管理模数据段、堆栈段等算法、最佳适应算法和最差应用程序式，包括分页模式、分段模适应算法式和混合模式外设接口Arm多种接口类型灵活配置12Arm处理器支持多种外设接大多数接口可以灵活配置，例口，例如SPI、I2C、UART、如数据位宽、传输速率、中断CAN、以太网等，满足不同外优先级等，以适应不同的应用设的通信需求场景驱动开发标准协议34每个外设接口都有对应的驱动大部分外设接口基于标准协程序，负责管理接口资源并与议，例如SPI、I2C、UART外设进行通信等，简化驱动开发难度中断处理机制中断产生中断是硬件或软件事件，导致处理器暂停当前执行的指令，并转而执行中断服务例程中断处理中断处理程序负责识别中断来源，处理中断事件，并恢复处理器到正常执行状态中断向量表中断向量表包含每个中断的地址，处理器根据中断号查找对应的中断服务例程地址中断优先级中断优先级决定了多个中断同时发生时，哪一个中断优先被处理中断屏蔽中断屏蔽机制可以防止某些中断被处理，确保关键操作不被中断工作原理DMA发起请求1CPU向DMA控制器发送数据传输请求配置传输2DMA控制器配置传输参数，例如源地址、目标地址、传输大小等直接传输3DMA控制器直接从源地址读取数据，写入目标地址中断通知4数据传输完成后，DMA控制器向CPU发送中断通知DMA传输是一种高效的数据传输方式，通过直接将数据从源设备传输到目标设备，减轻了CPU的负担，提高了系统性能DMA控制器通常包含多个通道，可以同时进行多个数据传输任务驱动程序开发步骤设备分析1识别设备功能，分析硬件接口驱动代码编写2实现设备操作函数，注册驱动程序测试验证3测试驱动功能，修复错误，调试代码文档编写4编写驱动文档，维护代码结构编写Arm驱动程序需要进行细致的步骤，从设备分析开始，一步步完成代码编写、测试验证和文档编写，最终实现稳定的驱动程序设备树简介设备树概述设备树优势设备树是Linux内核用来描述硬件的一种数据结构它以树形使用设备树可以简化驱动程序开发，因为驱动程序可以根据设备结构描述硬件的连接方式，并提供有关每个硬件组件的信息树信息自动配置，而无需手动设置设备树为内核提供了一种标准化的方式来访问硬件信息，简化了设备树还可以提高内核的模块化和可移植性，因为它允许不同的设备驱动程序的开发硬件配置使用相同的驱动程序设备树结构分析节点和属性层次结构设备树使用节点和属性来描述硬节点之间以树形结构组织，根节件，节点代表硬件设备，属性定点代表整个系统，子节点表示其义其特性子设备命名规范设备树编译节点名称采用类似文件路径的格设备树源文件（.dts）经过编译式，例如“/soc/arm/cpu”成二进制文件（.dtb），加载到内核设备树属性解析属性类型设备树属性可以是字符串、数字、数组等类型，用于描述设备的具体信息，例如地址、中断号、时钟频率等属性命名属性名称遵循一定的命名规范，通常使用小写字母和下划线，例如compatible、reg、clocks属性解析驱动程序通过解析设备树节点的属性，获取所需的信息，完成设备的初始化和操作设备树匹配机制设备树节点匹配兼容性字符串匹配

1.

2.12驱动程序通过匹配设备树节点的名称和属性来识别目标设驱动程序可以指定多个兼容性字符串，以支持不同的设备备类型属性值匹配匹配优先级

3.

4.34驱动程序可以根据设备树节点的属性值来进一步筛选设匹配优先级由节点名称、兼容性字符串和属性值的匹配程备度决定驱动程序注册流程模块初始化1驱动程序模块初始化函数会在系统启动时被调用，负责为模块分配资源并创建必要的设备结构设备注册2注册过程将设备结构添加到系统设备列表，使内核能够识别和管理该设备探测设备3内核会根据设备树信息或其他探测机制识别并找到目标设备，完成设备的初始化资源分配4驱动程序会请求并分配设备所需的资源，例如中断、内存和DMA通道等设备启用5驱动程序会完成设备的配置和初始化，使设备准备好进行操作设备资源获取设备树解析1从设备树中获取设备信息内存分配2分配设备所需的内存空间中断请求3注册设备中断处理程序通道申请DMA4申请设备使用的DMA通道驱动程序需要获取设备资源才能正常工作通过解析设备树，驱动程序能够获得设备节点信息接下来，驱动程序需要分配内存空间，为设备提供工作所需的内存为了响应设备产生的事件，驱动程序需要注册中断处理程序如果设备使用DMA进行数据传输，则需要申请DMA通道设备初始化资源分配分配设备所需的内存、中断、DMA通道等资源，为设备运行做好准备配置寄存器根据设备的特性，配置设备寄存器，设置工作模式、数据传输方式等参数启动设备通过写入控制寄存器或发送启动指令，使设备开始工作注册回调函数注册设备中断处理函数，以便在设备发生中断时进行响应中断处理程序中断服务例程1中断处理程序是特定于设备的，负责处理设备的中断事件它通过中断向量表找到对应的中断服务例程中断处理流程2•保存处理器状态•执行中断服务例程•恢复处理器状态•返回中断点中断处理优化3可以使用一些优化技术，例如中断共享、中断屏蔽和中断优先级，来提高中断处理效率设计实践DMA外设数据传输提高效率驱动程序开发DMADMA控制器直接将数据从内存传输到外释放CPU资源，专注于其他任务，提升系编写DMA驱动程序，管理DMA控制器设，无需CPU干预统性能和数据传输过程功耗管理机制电池寿命性能优化节能减排节约成本功耗管理对于延长设备电池寿管理功耗能提高性能，避免因降低设备功耗，减少能源消降低功耗可节约运行成本，提命至关重要，延长使用时间过热导致性能下降耗，推动环保升经济效益电源管理框架核心组件管理任务接口定义包括电源管理驱动、电源管理策略、电源负责设备电源状态管理、电源策略执行、提供标准接口供驱动程序和应用程序使管理框架等电源事件通知等用，方便管理设备电源设备电源状态Arm休眠状态睡眠状态12设备处于低功耗状态，大部分设备处于更深度的休眠状态，功能暂停，可快速唤醒所有功能停止，需要更长时间唤醒关机状态3设备完全断电，无法接收外部信号，需要人工重启设备电源管理API电源状态查询电源模式切换API允许应用程序查询设备的当API提供接口用于在不同电源模前电源状态，包括电源模式和剩式之间切换，例如休眠、待机或余电量性能模式电源事件通知电源限制配置API支持注册电源事件回调函API允许应用程序配置电源限数，以便应用程序在电源状态发制，例如最大功耗或特定电源模生变化时得到通知式的持续时间常见电源管理场景休眠模式待机模式动态电压频率缩放电源门控当设备处于空闲状态时，可待机模式比休眠模式功耗更根据设备负载动态调整电压当设备不需要使用某个模块以进入休眠模式，降低功低，但唤醒速度较慢待机和频率，以降低功耗该技时，可以关闭该模块的电耗休眠模式需要保存设备模式通常用于长时间不使用术可以有效降低功耗，尤其源，以降低功耗电源门控状态，以便快速唤醒设备时是在高性能需求场景下需要考虑模块之间的依赖关系平台相关电源管理笔记本电脑移动设备嵌入式设备笔记本电脑使用电池供电，也需要连接电移动设备如手机和平板电脑需要使用电源嵌入式设备可能需要更复杂的电源管理系源插座适配器充电统以节省功耗设备热管理机制温度监控热量控制12实时监测芯片、主板和外设温通过降低CPU频率、调节风扇度速度等方式控制热量热策略管理热管理框架34根据温度阈值触发不同的热管提供统一的热管理接口，简化理策略应用开发热管理框架介绍框架概述核心组件热管理框架提供统一的接口，方便驱动程序管理设备温度温度传感器获取设备温度数据提供温度监控、温度控制和热事件通知机制热管理控制器根据策略控制设备工作状态热事件通知机制通知驱动程序处理热事件热管理使用API温度监测温度控制使用热管理API可以读取设备的当前温度通过设置温度阈值，可以触发降频、关闭信息，及时了解设备运行状况部分模块等措施，防止设备过热热管理策略可以根据不同的应用场景和设备特性，制定不同的热管理策略，例如动态调整CPU频率，优化电源管理等热管理策略实践温度阈值设置风扇控制策略根据设备类型和运行环境，设定合理的温度阈根据温度变化，动态调整风扇转速，实现高效值，以确保设备安全运行散热功耗管理策略性能优化策略在满足性能需求的前提下，降低功耗，延长设通过代码优化和算法改进，降低设备发热量，备续航时间提高热管理效率调试技巧分享打印调试使用断点

1.

2.12使用打印语句输出关键变量值设置断点暂停程序执行，观察和程序执行流程，帮助定位问变量值和程序状态，帮助分析题问题使用调试器使用日志记录

3.

4.34借助调试器进行单步调试，查记录程序运行过程中关键信看堆栈信息，分析程序运行轨息，方便排查问题，分析程序迹性能总结与思考深入了解Arm驱动程序设计原理，掌握设备树与驱动程序开发流程，理解功耗管理与热管理机制不断学习和实践，提高Arm驱动程序开发能力，为嵌入式系统开发贡献力量。