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如何學(xué)習(xí)linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)

Linux系統(tǒng)目前主要維護(hù)2.4和2.6兩個(gè)內(nèi)核版本，在//www.kernel.org/ 網(wǎng)站上已經(jīng)可以下載到新的2.6內(nèi)核linux-2.6.38.6，及新的2.4內(nèi)核linux-2.4.37.11。穩(wěn)定版本號(hào)基本上是1~3月更新一次，如：2.6.35至2.6.36，升級(jí)版本號(hào)每1~2周更新一次，如：2.6.35.1至2.6.35.2。 升級(jí)后的高版本內(nèi)核并不完全兼容低版本內(nèi)核，所以內(nèi)核升級(jí)對(duì)于從事linux開發(fā)的技術(shù)人員來說影響很大，特別是對(duì)于那些剛剛從事linux開發(fā)的人員。

通常，內(nèi)核的升級(jí)對(duì)從事linux應(yīng)用程序開發(fā)的人員來說影響較小，因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用基本保持兼容，影響比較大的是驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員。每次內(nèi)核的更新都可能導(dǎo)致許多內(nèi)核函數(shù)原型上的變化，其中既有內(nèi)核本身提供的函數(shù)，也有硬件平臺(tái)代碼提供的函數(shù)，后者變化的更加頻繁。這一點(diǎn)從許多經(jīng)典書籍就可驗(yàn)證，當(dāng)你按照手里的經(jīng)典著作，如：Alessandro的《linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序》，編寫驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)并不能夠成功的在你的linux平臺(tái)上編譯通過、或不能正常執(zhí)行，原因就在于你用的內(nèi)核和書里的不一致。

本文從兩個(gè)方面去解釋這個(gè)問題，一方面是如何寫好linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)，另一方面是如何應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的內(nèi)核。

如何寫好Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)

Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)是linux內(nèi)核的一部分，是用來屏蔽硬件細(xì)節(jié)，為上層提供標(biāo)準(zhǔn)接口的一種技術(shù)手段。為了能夠編寫出質(zhì)量比較高的驅(qū)動(dòng)程序，要求工程師必須具備以下幾個(gè)方面的知識(shí)：

●    熟悉處理器的性能

如：處理器的體系結(jié)構(gòu)、匯編語(yǔ)言、工作模式、異常處理等。對(duì)于初學(xué)者來說，在還不熟悉驅(qū)動(dòng)編寫方法的情況下，可以先不把重心放在這一項(xiàng)上，因?yàn)榭赡芤驗(yàn)樗�的枯燥、抽象而影響到你�?duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的興趣。隨著你不斷地熟悉驅(qū)動(dòng)的編寫，你會(huì)很自然的意識(shí)到此項(xiàng)的重要性。

●    掌握驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的硬件工作原理及通訊協(xié)議

如：串口控制器、顯卡控制器、硬件編解碼、存儲(chǔ)卡控制器、I2C通訊、SPI通訊、USB通訊、SDIO通訊、I2S通訊、PCI通訊等。編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)的前提就是需要了解設(shè)備的操作方法，所以這些內(nèi)容的重要程度不言而喻。但不是說要把所有設(shè)備的操作方法都熟悉了以后才可以寫驅(qū)動(dòng)，你只需要了解你要驅(qū)動(dòng)的硬件就可以了。

●    掌握硬件的控制方法

如：中斷、輪詢、DMA 等，通常一個(gè)硬件控制器會(huì)有多種控制方法，你需要根據(jù)系統(tǒng)性能的需要合理的選擇操作方法。初學(xué)階段以實(shí)現(xiàn)功能為目的，掌握的順序應(yīng)該是，輪詢->中斷->DMA。隨著學(xué)習(xí)的深入，需要綜合考慮系統(tǒng)的性能需求，采取合適的方法。

●    良好的GNU C語(yǔ)言編程基礎(chǔ)

如：C語(yǔ)言的指針、結(jié)構(gòu)體、內(nèi)存操作、鏈表、隊(duì)列、棧、C和匯編混合編程等。這些編程語(yǔ)法是編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，無論對(duì)于初學(xué)者還是有經(jīng)驗(yàn)者都非常重要。

●    良好的linux操作系統(tǒng)概念

如：多進(jìn)程、多線程、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程搶占、進(jìn)程上下文、虛擬內(nèi)存、原子操作、阻塞、睡眠、同步等概念及它們之間的關(guān)系。這些概念及方法在設(shè)備驅(qū)動(dòng)里的使用是linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)區(qū)別單片機(jī)編程的大特點(diǎn)，只有理解了它們才會(huì)編寫出高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)。

●    掌握l(shuí)inux內(nèi)核中設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫接口

如：字符設(shè)備的cdev、塊設(shè)備的gendisk、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的net_device，以及基于這些基本接口的framebuffer設(shè)備的fb_info、mtd設(shè)備的mtd_info、tty設(shè)備的tty_driver、usb設(shè)備的usb_driver、mmc設(shè)備的mmc_host等。

Linux內(nèi)核為設(shè)備驅(qū)動(dòng)編寫者提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，驅(qū)動(dòng)編寫者無需精通內(nèi)核的各個(gè)部分，只需要明確內(nèi)核提供給我們的接口，并實(shí)現(xiàn)此接口就可以了。內(nèi)核提供的接口采用的是面向?qū)ο蟮乃悸罚�即把目�?biāo)設(shè)備抽象成一個(gè)對(duì)象，通常利用一個(gè)結(jié)構(gòu)體來描述這個(gè)對(duì)象。驅(qū)動(dòng)工程師的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)對(duì)象。這個(gè)結(jié)構(gòu)體中會(huì)包含設(shè)備的屬性（用變量表示）和操作方法（用函數(shù)指針表示）。如：字符設(shè)備的cdev

struct cdev {
                struct kobject        kobj;
                struct module        *owner;
                const struct file_operations         *ops;        // 操作方法結(jié)合，其它項(xiàng)都是屬性 
                struct list_head        list;
                dev_t                        dev;
                unsigned int        count;
        };

開始階段可以以模仿為主，即套用一些固定的模板、參考例程。

如何應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的內(nèi)核

內(nèi)核升級(jí)對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響主要體現(xiàn)在，（1）驅(qū)動(dòng)接口定義的變化；（2）內(nèi)核的一些功能函數(shù)的名稱、參數(shù)、頭文件、宏定義的變化；（3）平臺(tái)代碼關(guān)于硬件操作方面封裝的一些函數(shù)的變化；（4）設(shè)備模型的影響。

●    驅(qū)動(dòng)接口定義的變化

如：2.4內(nèi)核中字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)接口是：

int register_chrdev(unsigned int major, const char * name, struct file_operations *fops)

而2.6內(nèi)核中已經(jīng)不建議使用這種方法了，改為：

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

這種接口定義及注冊(cè)方法帶來的變化，發(fā)生的并不頻繁。解決方案是：參考內(nèi)核中的代碼。這種接口定義及注冊(cè)方法在內(nèi)核中非常容易找到，如：字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)方法及接口定義可以參照內(nèi)核driver/char/目錄下的很多實(shí)例。

●    內(nèi)核的一些功能函數(shù)的名稱、參數(shù)、頭文件、宏定義的變化

如：中斷注冊(cè)函數(shù)的格式及參數(shù)在2.4內(nèi)核、2.6內(nèi)核低版本和高版本之間都存在差別，在2.6.8中，中斷注冊(cè)函數(shù)的定義為：

int request_irq(unsigned int irq, irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *),unsigned long irq_flags, const char * devname, void *dev_id)

irq_flags的取值主要為下面的某一種或組合： SA_INTERRUPT、SA_SAMPLE_RANDOM、SA_SHIRQ

在2.6.26中，中斷注冊(cè)函數(shù)的定義為：

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *); irq_flags的取值主要為下面的某一種或組合：（功能和2.6.8的對(duì)應(yīng)）IRQF_DISABLED、IRQF_SAMPLE_RANDOM、IRQF_SHARED

當(dāng)出現(xiàn)這些問題時(shí)，編譯過程中，編譯器會(huì)給我們比較明確的錯(cuò)誤提示，根據(jù)這些提示你可以判斷出是否是缺少頭文件問題、是否是函數(shù)參數(shù)定義有誤等。解決問題的好辦法還是到你的目標(biāo)內(nèi)核中找信息。此時(shí)找問題的方法可以借助于搜索，如：你可以在新的內(nèi)核中搜索request_irq，看新內(nèi)核中的驅(qū)動(dòng)是如何使用它的，這種方法非常有效。

●    平臺(tái)代碼關(guān)于硬件操作方面封裝的一些函數(shù)的變化

內(nèi)核中，硬件平臺(tái)相關(guān)的代碼在內(nèi)核更新過程中變化比較頻繁，和我們的設(shè)備驅(qū)動(dòng)也是息息相關(guān)，所以在針對(duì)一個(gè)新內(nèi)核編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)前，一定要熟悉你的平臺(tái)代碼的結(jié)構(gòu)。有時(shí)平臺(tái)雖然提供了內(nèi)核要求的接口函數(shù)，但使用起來功能卻并不完善。下面還是先舉個(gè)例子說明平臺(tái)代碼更新對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的影響。

如：在linux-2.6.8內(nèi)核中，調(diào)用set_irq_type(IRQ_EINT0,IRQT_FALLING);去設(shè)置S3C2410的IRQ_EINT0的中斷觸發(fā)信號(hào)類型，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不會(huì)有什么效果。跟蹤代碼發(fā)現(xiàn)內(nèi)核的set_irq_type函數(shù)需要平臺(tái)提供一個(gè)針對(duì)硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)

static struct irqchip s3c_irqext_chip = {
                .mask = s3c_irqext_mask,
                .unmask = s3c_irqext_unmask,
                .ack = s3c_irqext_ack,
                .type = s3c_irqext_type
        };

s3c_irqext_type就是linux內(nèi)核需要的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，而s3c_irqext_type在2.6.8中的實(shí)現(xiàn)為： static int s3c_irqext_type(unsigned int irq, unsigned int type)
        {
                irqdbf("s3c_irqext_type: called for irq %d, type %d\n", irq, type);
                return 0;
        }

原來并沒有實(shí)現(xiàn)。而在較高版本的內(nèi)核，如2.6.26內(nèi)核中，這個(gè)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)了的。所以你一定要小心。當(dāng)平臺(tái)函數(shù)不好用時(shí)，一定要查查原因，或者直接操作硬件寄存器來達(dá)到目的。

●    2.6內(nèi)核設(shè)備模型對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響

在2.6內(nèi)核中寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)和在2.4內(nèi)核中有著很大的不同，主要就是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中融入了比設(shè)備驅(qū)動(dòng)本身結(jié)構(gòu)還復(fù)雜、還難以理解的設(shè)備模型。初學(xué)驅(qū)動(dòng)時(shí)你可以不理會(huì)設(shè)備模型，但你會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)核里的驅(qū)動(dòng)代碼基本上都是融入了設(shè)備模型的了。所以很多時(shí)候你不得不面對(duì)現(xiàn)實(shí)，還是要弄懂它，并且它也的注冊(cè)方法也會(huì)隨著內(nèi)核的升級(jí)而發(fā)生變化。解決此類問題的好方法還是參考目標(biāo)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)代碼。

總結(jié)：

開始學(xué)習(xí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，選擇一個(gè)當(dāng)前比較流行的內(nèi)核版本和硬件平臺(tái)，不急于追趕新潮流。這樣你可以找到的網(wǎng)絡(luò)資源會(huì)比較多，不至于有孤軍奮戰(zhàn)的感覺。我想這個(gè)過程應(yīng)該不低于1年。當(dāng)過了這個(gè)過程后，嘗試將你編寫過的驅(qū)動(dòng)移植到各個(gè)目標(biāo)平臺(tái)上。

（本文參考了一些網(wǎng)上資料，因原出處不詳，特向資料的原作者致謝！）