第八章：驱动程序开发与文件系统¶

——“让硬件会说话、让数据不掉链”的完整指南

本章采用“硬件→驱动模型→代码模板→文件系统→量产脚本”五步走，所有示例均基于 Linux 内核 5.x / RTOS 双场景，可直接拷贝到项目中编译运行。

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1 驱动程序：硬件与 OS 的“翻译层”¶

1.1 三种数据交互模型¶

模型	原理	优点	缺点	适用场景
轮询 (Polling)	CPU 死循环读寄存器	实现简单	100 % CPU 占用	启动阶段/调试
中断驱动	设备就绪触发 ISR	CPU 0 % 等待	上下文切换开销	字符设备、GPIO
DMA	外设 ↔ 内存搬运	CPU 解放	配置复杂、Cache 一致	音视频、SDIO

1.2 Linux 内核驱动三大件¶

• 字符设备 (cdev) — 串口、ADC、PWM
• 块设备 (block_device) — eMMC、SD、NAND
• 网络设备 (net_device) — Wi-Fi、Ethernet

1.3 最小字符设备模板（Linux）¶

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#define DEV_NAME "myled"

static int major;
static ssize_t myled_write(struct file *f, const char __user *buf,
                           size_t len, loff_t *off)
{
    u8 val;
    if (copy_from_user(&val, buf, 1))
        return -EFAULT;
    iowrite32(val ? 1:0, GPIO_BASE + GPIO_DR);
    return 1;
}

static const struct file_operations fops = {.write = myled_write};
static int __init myled_init(void)
{
    major = register_chrdev(0, DEV_NAME, &fops);
    return 0;
}
module_init(myled_init);
MODULE_LICENSE("GPL");

Makefile

obj-m += myled.o
all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

1.4 RTOS（FreeRTOS）最小驱动¶

void vADCTask(void *pv)
{
    for (;;) {
        uint16_t val = ADC1->DR;
        xQueueSend(adcQueue, &val, 0);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

1.5 并发/同步原语¶

Linux：
- spinlock_t — 中断上下文
- mutex — 进程上下文
- completion — 等待硬件完成

FreeRTOS：
- SemaphoreHandle_t (二值/计数)
- xQueue

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2 文件系统：让数据“住得安心”¶

2.1 嵌入式对文件系统的 3 大刚需¶

需求	技术实现	关键参数
掉电保护	日志 (Journaling)、Copy-on-Write	掉电 0 秒数据丢失
磨损均衡	动态/静态均衡、垃圾回收	写放大 < 2
小容量	元数据开销 < 5 %	4 KB 页对齐

2.2 常见文件系统横向对比¶

类型	介质	掉电保护	磨损均衡	最大容量	元数据	典型挂载
FAT32	SD/eMMC	无	无	2 TB	4 KB	车载娱乐
exFAT	SDXC	无	无	128 PB	4 KB	摄像机
JFFS2	NOR Flash	日志	动态	128 MB	节点级	路由器
YAFFS2	NAND SLC	日志	动态	2 GB	页级	早期手机
UBIFS	Raw NAND	日志 + UBI	UBI 均衡	1 TB	子页	工业网关
SPIFFS	SPI NOR	日志	静态	16 MB	2 KB	传感器节点
LittleFS	NOR/NAND	COW + 日志	动态	2 GB	32 B	MCU/MPU

2.3 使用示例¶

• Linux 挂载 UBIFS

# 1. 创建 UBI 卷
ubiattach /dev/ubi_ctrl -m 2
ubimkvol /dev/ubi0 -N rootfs -s 100MiB
# 2. 格式化 & 挂载
mkfs.ubifs -r rootfs/ -m 2048 -e 126976 -c 800 -o rootfs.ubifs
mount -t ubifs ubi0:rootfs /mnt

• RTOS（LittleFS）

lfs_t lfs;
const struct lfs_config cfg = {
    .read  = flash_read,
    .prog  = flash_prog,
    .erase = flash_erase,
    .sync  = flash_sync,
    .block_size = 4096,
    .block_count = 2048,
};
lfs_mount(&lfs, &cfg);

2.4 掉电保护实现细节¶

LittleFS：采用 COW + 日志双保险
– 任何页在写入前会复制到新位置
– 元数据块尾部追加日志，掉电后重放
UBIFS：依赖 UBI layer
– UBI 记录擦除计数，实现动态磨损均衡
– 掉电后扫描卷表 (volume table) 恢复

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3 量产脚本示例¶

#!/bin/bash
# flash.sh – 一键烧录
IMG=rootfs.squashfs
DEV=/dev/mtd2
flash_erase $DEV 0 0
nandwrite -p $DEV $IMG

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4 一页速查表¶

场景	推荐 FS	挂载命令	注意
SD 卡	exFAT	`mount -t exfat /dev/mmcblk0p1 /mnt`	需 `CONFIG_EXFAT_FS`
SPI NOR	LittleFS	`lfs_mount`	用 4 KB 对齐
Raw NAND	UBIFS	`mount -t ubifs ubi0:rootfs /mnt`	先 `ubiattach`
日志记录	JFFS2	`mount -t jffs2 /dev/mtdblock0 /mnt`	预留 5 % 空间

这张表90 % 的“文件系统选哪个”问题可在 30 秒内解决。

How does DMA improve data transfer efficiency?¶

DMA improves efficiency by off-loading the actual data movement from the CPU to a dedicated peripheral engine.
Key gains:

CPU cycles freed – The processor only sets up the transfer (source, destination, length) and can run other tasks or enter sleep while DMA runs.
Higher throughput – DMA engines often sit directly on the AHB/AXI bus and can saturate memory bandwidth; e.g., STM32H7’s DMA moves 16 MB/s vs ≈ 2 MB/s with a tight CPU loop.
Lower latency – No context-switch overhead or interrupt jitter for every word; interrupts arrive only on completion or error.
Burst & FIFO optimizations – DMA uses burst transfers and FIFO buffering, reducing bus arbitration and wait states.
Scalable parallelism – Multiple DMA streams can run simultaneously, overlapping peripheral-to-memory, memory-to-memory, and even memory-to-peripheral transfers.

In short, DMA replaces “CPU bit-banging” with hardware-accelerated, autonomous data pipelines, cutting both time and energy per byte.