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如何學(xué)習(xí)linux設(shè)備驅(qū)動

Linux系統(tǒng)目前主要維護(hù)2.4和2.6兩個內(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)定版本號基本上是1~3月更新一次，如：2.6.35至2.6.36，升級版本號每1~2周更新一次，如：2.6.35.1至2.6.35.2。 升級后的高版本內(nèi)核并不完全兼容低版本內(nèi)核，所以內(nèi)核升級對于從事linux開發(fā)的技術(shù)人員來說影響很大，特別是對于那些剛剛從事linux開發(fā)的人員。

通常，內(nèi)核的升級對從事linux應(yīng)用程序開發(fā)的人員來說影響較小，因為系統(tǒng)調(diào)用基本保持兼容，影響比較大的是驅(qū)動開發(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)，也有硬件平臺代碼提供的函數(shù)，后者變化的更加頻繁。這一點從許多經(jīng)典書籍就可驗證，當(dāng)你按照手里的經(jīng)典著作，如：Alessandro的《linux設(shè)備驅(qū)動程序》，編寫驅(qū)動時，發(fā)現(xiàn)并不能夠成功的在你的linux平臺上編譯通過、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。

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

如何寫好Linux設(shè)備驅(qū)動

Linux設(shè)備驅(qū)動是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)動程序，要求工程師必須具備以下幾個方面的知識：

●    熟悉處理器的性能

如：處理器的體系結(jié)構(gòu)、匯編語言、工作模式、異常處理等。對于初學(xué)者來說，在還不熟悉驅(qū)動編寫方法的情況下，可以先不把重心放在這一項上，因為可能因為它的枯燥、抽象而影響到你對設(shè)備驅(qū)動的興趣。隨著你不斷地熟悉驅(qū)動的編寫，你會很自然的意識到此項的重要性。

●    掌握驅(qū)動目標(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，你只需要了解你要驅(qū)動的硬件就可以了。

●    掌握硬件的控制方法

如：中斷、輪詢、DMA 等，通常一個硬件控制器會有多種控制方法，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語言編程基礎(chǔ)

如：C語言的指針、結(jié)構(gòu)體、內(nèi)存操作、鏈表、隊列、棧、C和匯編混合編程等。這些編程語法是編寫設(shè)備驅(qū)動的基礎(chǔ)，無論對于初學(xué)者還是有經(jīng)驗者都非常重要。

●    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)動里的使用是linux設(shè)備驅(qū)動區(qū)別單片機(jī)編程的大特點，只有理解了它們才會編寫出高質(zhì)量的驅(qū)動。

●    掌握linux內(nèi)核中設(shè)備驅(qū)動的編寫接口

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)動編寫者提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，驅(qū)動編寫者無需精通內(nèi)核的各個部分，只需要明確內(nèi)核提供給我們的接口，并實現(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)備抽象成一個對象，通常利用一個結(jié)構(gòu)體來描述這個對象。驅(qū)動工程師的任務(wù)就是實現(xiàn)這個對象。這個結(jié)構(gòu)體中會包含設(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)對不斷升級的內(nèi)核

內(nèi)核升級對驅(qū)動的影響主要體現(xiàn)在，（1）驅(qū)動接口定義的變化；（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)動接口定義的變化

如：2.4內(nèi)核中字符設(shè)備驅(qū)動的注冊接口是：

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方法在內(nèi)核中非常容易找到，如：字符設(shè)備驅(qū)動的注冊方法及接口定義可以參照內(nèi)核driver/char/目錄下的很多實例。

●    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的對應(yīng)）IRQF_DISABLED、IRQF_SAMPLE_RANDOM、IRQF_SHARED

當(dāng)出現(xiàn)這些問題時，編譯過程中，編譯器會給我們比較明確的錯誤提示，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)動是如何使用它的，這種方法非常有效。

●    平臺代碼關(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)動也是息息相關(guān)，所以在針對一個新內(nèi)核編寫設(shè)備驅(qū)動前，一定要熟悉你的平臺代碼的結(jié)構(gòu)。有時平臺雖然提供了內(nèi)核要求的接口函數(shù)，但使用起來功能卻并不完善。下面還是先舉個例子說明平臺代碼更新對設(shè)備驅(qū)動的影響。

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)信號類型，你會發(fā)現(xiàn)不會有什么效果。跟蹤代碼發(fā)現(xiàn)內(nèi)核的set_irq_type函數(shù)需要平臺提供一個針對硬件平臺的實現(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)核需要的實現(xiàn)函數(shù)，而s3c_irqext_type在2.6.8中的實現(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;
        }

原來并沒有實現(xiàn)。而在較高版本的內(nèi)核，如2.6.26內(nèi)核中，這個函數(shù)是實現(xiàn)了的。所以你一定要小心。當(dāng)平臺函數(shù)不好用時，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)備模型對驅(qū)動的影響

在2.6內(nèi)核中寫設(shè)備驅(qū)動和在2.4內(nèi)核中有著很大的不同，主要就是在設(shè)備驅(qū)動中融入了比設(shè)備驅(qū)動本身結(jié)構(gòu)還復(fù)雜、還難以理解的設(shè)備模型。初學(xué)驅(qū)動時你可以不理會設(shè)備模型，但你會發(fā)現(xiàn)內(nèi)核里的驅(qū)動代碼基本上都是融入了設(shè)備模型的了。所以很多時候你不得不面對現(xiàn)實，還是要弄懂它，并且它也的注冊方法也會隨著內(nèi)核的升級而發(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)動代碼。

總結(jié)：

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

（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！）