嵌入式Linux：应用层与底层硬件进行交互或控制的两种主要方式

不脱发的程序猿

发布于 2025-03-14 09:35:56

10500

代码可运行

文章被收录于专栏：AIoT技术交流、分享AIoT技术交流、分享

运行总次数：0

代码可运行

在Linux系统中，应用层需要与底层硬件进行交互或控制，通常有两种主要方式：

/dev目录下的设备文件（设备节点）
/sys目录下设备的属性文件

这两种方式都可以为应用程序提供访问硬件的接口，但它们在设计目的、访问方式以及使用场景上有所不同。

1、/dev 目录下的设备文件（设备节点）

在Linux系统中，硬件设备通常通过设备文件的形式在/dev目录下表示。

设备文件种类	说明	常见示例	使用场景
字符设备	通过字节流方式访问的设备文件，支持顺序读取和写入操作。	/dev/ttyS0（串口）	串口通信、传感器数据读取、串行设备数据传输
块设备	支持以数据块为单位进行随机访问的设备文件，通常用于存储设备。	/dev/sda（硬盘）	磁盘读写、文件系统操作、挂载分区
网络设备	尽管/dev中通常不直接包含网络设备文件，但可以通过特殊设备实现，如虚拟网络接口。	/dev/tun0（隧道接口）	网络流量捕获、网络隧道、VPN通信
伪设备	非真实硬件设备，提供系统功能的接口。	/dev/null、/dev/zero	丢弃数据、生成空数据、模拟数据传输
输入设备	用于提供系统输入功能的设备，如键盘、鼠标。	/dev/input/mice	获取鼠标输入、捕获键盘事件
音频设备	提供音频输入输出接口，支持音频数据的读取和写入。	/dev/audio、/dev/snd	音频播放、录音、音频处理
图像设备	摄像头或图像采集设备，支持图像数据流的传输。	/dev/video0	视频流捕获、摄像头数据获取
打印机设备	专门用于打印设备的接口，通常是字符设备。	/dev/lp0	打印数据传输、打印机控制
磁带设备	磁带存储设备，通常用于备份，支持顺序存储。	/dev/st0	数据备份、磁带读写
GPU设备	提供图形处理器的接口，通常用于GPU计算或图形加速。	/dev/dri/card0	GPU加速、图形处理、计算密集型任务
特殊系统设备	提供系统特定功能的接口，如内存访问和随机数生成。	/dev/mem、/dev/random	直接访问系统内存、生成随机数据流

这些设备文件本质上是特殊类型的文件，用于映射实际的硬件设备，以便应用层能够通过系统调用与硬件进行交互。

特点：

访问方式：应用程序可以通过文件操作函数（如open、read、write等）直接对设备文件进行操作。这种操作通过内核中的驱动程序将操作指令转发到实际的硬件。
设备类型：设备文件分为两类：字符设备（如串口设备/dev/ttyS*）和块设备（如磁盘设备/dev/sda）。字符设备通常是字节流数据，块设备通常支持随机访问。
驱动作用：设备文件通常依赖设备驱动程序来完成硬件控制和数据传输。驱动程序在应用层的操作与硬件之间进行中介，处理低级别的硬件操作细节。
访问权限：设备文件有严格的权限控制，通常只有超级用户或特定用户组有权限直接操作。

使用场景：

文件读写：例如访问串口或传感器数据，程序通过读取/dev下对应的设备文件获取数据。
块设备操作：如挂载磁盘分区或访问存储设备时，操作文件系统涉及的底层硬件设备。
需要底层驱动支持的设备：多数需要通过驱动程序管理的硬件（如显卡、音频设备等）都依赖设备文件。

示例：

// 通过读取字符设备文件来获取设备数据
int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDONLY);
if (fd != -1) {
    char buffer[128];
    read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    close(fd);
}

2、/sys 目录下的设备属性文件

/sys目录提供了一个文件系统接口（通常称为sysfs），允许应用程序查看和控制内核的设备属性。

设备类型	说明	常见路径	使用场景
CPU	显示和配置CPU属性，包括频率、功耗等。	/sys/devices/system/cpu	CPU频率调整、功耗管理
内存	提供内存模块和内存管理相关信息。	/sys/devices/system/memory	查询系统内存容量、管理内存模块
PCI设备	PCI总线上的设备信息，如显卡、网卡等。	/sys/bus/pci/devices	获取PCI设备状态、管理和调试PCI设备
USB设备	USB总线上的设备属性，如连接的USB设备信息。	/sys/bus/usb/devices	检查USB设备连接状态、设置USB配置
电池	提供电池的属性和状态，包括电量、状态等（适用于移动设备）。	/sys/class/power_supply	电池电量监控、电源管理
网络接口	提供网络接口的配置信息和状态，包括带宽、状态等。	/sys/class/net	获取网络接口信息、网络带宽配置
SCSI设备	提供SCSI总线设备的信息，常用于存储设备。	/sys/class/scsi_device	存储设备管理、SCSI硬盘监控
块设备	用于提供块设备的属性信息，如硬盘、USB存储等设备。	/sys/class/block	获取硬盘状态、分区信息、块设备容量
输入设备	提供输入设备的属性信息，如键盘、鼠标等设备。	/sys/class/input	检查输入设备状态、配置输入设备属性
图形设备	提供GPU和其他图形处理设备的信息。	/sys/class/drm	查询GPU状态、显卡属性管理
音频设备	提供音频设备的属性和配置，如声卡等。	/sys/class/sound	音频设备配置、音频流管理
温度传感器	提供系统温度传感器的属性信息，适合监控系统温度。	/sys/class/thermal	获取系统温度、温度监控
功率管理设备	提供系统功率管理设备的属性，用于功耗和电源管理。	/sys/class/power_supply	电源管理、功耗优化
LED设备	提供LED指示灯的属性，允许设置LED亮度和状态。	/sys/class/leds	控制系统LED状态、调节LED亮度
固件	提供固件信息和更新接口，适合固件管理。	/sys/class/firmware	查看和更新设备固件
驱动信息	提供已加载驱动的相关信息，包括每个驱动所支持的设备。	/sys/bus/*/drivers	驱动管理、调试驱动程序

sysfs是Linux内核的一种虚拟文件系统，用于展示内核对象（如设备和驱动程序）的层次结构信息。

特点：

设备属性和配置：/sys目录中提供的设备属性文件可用于查看和修改设备的配置参数。例如，可以查看或调整设备的功耗模式、速度、状态等。
实时更新：由于/sys中的文件是虚拟文件，数据会在访问时实时更新，提供当前设备的状态信息。
只读和读写属性：/sys中的文件分为只读属性（如设备信息）和可读写属性（如功耗模式）。用户可以通过写入方式修改设备的部分配置。
标准化接口：相比直接通过设备文件访问硬件，sysfs为不同类型设备提供了更为标准的访问接口，尤其适合用于系统管理和设备调试。

使用场景：

系统配置和监控：适合应用程序获取设备的当前状态、序列号、版本信息、功耗管理等属性数据。
设备驱动开发和调试：驱动开发人员常用sysfs在开发过程中验证设备的状态、检查错误信息或调试驱动程序。
电源管理和设备配置：应用层可以通过更改设备的sysfs文件来控制设备状态，例如将设备置为低功耗模式或调整性能参数。

示例：

查看CPU频率cat ：

/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_cur_freq

设置某个设备的功耗模式：

echo "low_power" > /sys/devices/pci0000:00/0000:00:1f.3/power/control

在实际开发中，两者可以配合使用。

/dev设备文件适合于直接的数据传输和低延迟的控制操作，而/sys属性文件适合用于管理、监控以及修改设备的高层配置。

特性	/dev 设备文件	/sys 属性文件
访问方式	直接进行文件读写	读取/写入属性文件
依赖驱动	是，依赖驱动支持设备文件的操作	是，sysfs属性由驱动创建和管理
使用场景	主要用于数据传输和底层操作	主要用于配置、监控和状态读取
适合场景	文件操作或直接设备控制	设备信息查询、属性配置
权限控制	严格的权限控制	多数属性文件开放查询，部分可写