1.1 单片机程序的特点及结构
单片机程序中，比如实际使用ST芯片时，我们常通过CubeMX图形化工具配置工程，CubeMX会自动生成HAL库初始化代码、系统初始化代码以及GPIO初始化代码。我们只需编写核心业务逻辑，比如读取按键的状态，判断是否按下，若按下则控制蓝灯闪烁。
读取按键状态使用的是HAL库函数。这个HAL库函数针对GPIO引脚设计，包含两个参数：一是要读取的GPIO端口（如GPIOA、GPIOB等），二是具体引脚。这些函数由芯片厂商完善，本质上也是通过操作寄存器实现功能，大家查看函数源码就能发现其底层是直接操作寄存器的。
单片机程序的核心特点：main函数中包含的大量硬件初始化工作已由工具生成，我们只需聚焦业务逻辑，通过HAL库或直接操作寄存器操控硬件。寄存器的地址可通过芯片手册查询，直接读写对应地址即可完成硬件操作。
在单片机程序中，原本没有应用程序和驱动程序的明确划分。资深的单片机工程师会出于良好的编程习惯，将程序分为两层：上层是与硬件无关的业务逻辑（比如“读取按键后控制LED闪烁”的逻辑，仅调用read_key和blink_led函数），下层是由底层驱动实现的read_key、blink_led等硬件操作函数。但这两层之间没有严格的界限，仅为编程规范层面的划分。
1.2 Linux系统中应用程序与驱动程序的严格分界
Linux系统则完全不同，应用程序与驱动程序存在严格的界限。从底层硬件操作的本质来看，Linux和单片机一致，都是通过读写寄存器实现硬件控制，但应用程序的操作权限被严格限制。
在单片机系统中，程序通常由少数人开发维护，代码质量可控，出现问题可调试修复后再发布，且产品功能相对简单，因此main函数可直接读写硬件寄存器。
而Linux系统的使用场景更复杂，以安装Windows系统的电脑为例，联想公司生产电脑并预装系统后，用户包括普通使用者和成千上万的开发者，开发者水平参差不齐，甚至存在恶意程序。为保证系统健壮性和安全性，Linux不允许应用程序直接访问硬件，必须通过驱动程序间接访问。
核心原因在于权限差异：单片机通常称为MCU（微控制器单元），而能运行Linux的芯片称为MPU（微处理器单元），MPU的关键特点是具备MMU（内存管理单元），这是实现权限管理的核心。
1.3 MMU（内存管理单元）的作用
我们通过结构对比理解MMU的作用：
单片机系统中，MCU芯片包含CPU、GPIO模块和内存。CPU发出的地址和数据可直接到达对应硬件设备，只要地址在设备的地址范围内，设备就会响应，中间无任何权限管控。
Linux系统中，CPU、GPIO模块和内存之间增加了MMU。CPU发出的地址需先经过MMU判断：若当前CPU运行在用户态（应用程序运行模式），且地址指向硬件设备，MMU会拒绝访问；若运行在内核态（驱动程序运行模式，如SVC管理模式），MMU则允许地址访问硬件。简单来说，MMU实现了权限管控，Linux系统充分利用MMU，从软硬件设计上阻止了应用程序直接访问硬件寄存器。
1.4 Linux中应用程序调用驱动程序的流程
应用程序需通过open、read、write等标准接口调用驱动程序。
应用程序通过open函数打开一个特殊的设备文件（而非普通文件），打开设备文件的过程就是关联驱动程序的过程，之后通过read、write函数与驱动程序交互。
这里需要明确：应用程序无法直接调用驱动程序的函数（如驱动中的driver_open函数）。若允许直接调用，恶意程序可能调用内核或驱动中的危险函数（如电源驱动的关机函数），导致系统崩溃。因此Linux通过“异常触发”实现用户态到内核态的切换，进而调用驱动程序。
具体切换过程：应用程序调用的open、read、write等函数并非用户实现，而是由glibc库实现。这些库函数的核心逻辑是：先设置特定寄存器（如R0寄存器，根据操作类型设置不同值，value1对应open、value2对应read、value3对应write），再执行一条SWI汇编指令。
SWI指令会触发异常，类似单片机中的按键中断——按键按下产生中断后，CPU会立即执行中断服务程序；同理，SWI指令触发异常后，CPU会执行内核提供的SWI异常处理函数，同时切换CPU模式至内核态，获得访问硬件的权限。
异常处理函数的核心逻辑：根据之前设置的寄存器值（如R0的值）分辨应用程序的需求——若R0=value1，说明需要执行open操作，就调用内核中的system_open函数；若R0=value2，说明需要执行read操作，就调用对应的内核函数。
进一步，system_open函数会判断打开的文件类型：若为普通文件（如1.txt），则执行普通文件的读写逻辑；若为设备文件（设备节点），则找到对应的驱动程序，调用驱动程序的open函数。驱动程序的open函数中，即可执行硬件寄存器的读写操作，完成应用程序对硬件的间接控制。
1.5 核心知识点总结
最后重申核心知识点：
- 硬件操作本质一致：单片机和Linux都是通过读写寄存器实现硬件控制。
- 程序分层差异：单片机程序的应用层与驱动层无严格界限，仅为编程习惯；Linux系统则强制分层，应用层与驱动层有不可逾越的界限。
- 权限控制核心：Linux通过MPU的MMU实现权限管理，应用程序运行在用户态，无硬件访问权限；驱动程序运行在内核态，具备硬件访问权限。
- 调用流程：应用程序通过glibc库的open、read、write等标准接口，触发SWI异常切换至内核态，由内核异常处理函数根据寄存器值分辨操作需求，最终调用驱动程序的对应函数完成硬件操作。
