面對不斷升級的內核,我們該如何學(xué)習LINUX設備驅動(dòng)!

發(fā)布時(shí)間:2015-1-13 11:47    發(fā)布者:edu118gct


面對不斷升級的linux內核、GNU開(kāi)發(fā)工具、linux環(huán)境下的各種圖形庫,很多linux應用程序開(kāi)發(fā)人員和linux設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)人員即興奮,又煩躁。興奮的是新的軟件軟件、工具給我提供了更強大的功能,煩躁的是適應新軟件的特性、搭建新環(huán)境是一項非常繁瑣的事情。本文想從以下3個(gè)方面探討一下“面對不斷升級的內核,如何學(xué)習linux設備驅動(dòng)”。
內核發(fā)展的現狀及其對技術(shù)人員的影響
    由于高版本內核并不完全兼容低版本內核,所以?xún)群松墝氖耹inux開(kāi)發(fā)的技術(shù)人員造成了一定的影響,特別對于linux入門(mén)人員。
    內核的升級對應從事linux應用程序開(kāi)發(fā)的人員來(lái)說(shuō)影響較小,因為系統調用基本保持兼容。而影響比較大的是驅動(dòng)開(kāi)發(fā)人員。每次內核的更新都可以導致很多內核函數使用上的變化。其中有內核本身提供的函數,也有硬件平臺代碼提供的函數,后者變化的更加頻繁。這一點(diǎn)讓初學(xué)內核驅動(dòng)的人很迷茫,因為當他們按照手里的經(jīng)典著(zhù)作,如:Alessandro的《linux設備驅動(dòng)程序》,編寫(xiě)驅動(dòng)時(shí),發(fā)現并不能夠成功的在你的linux平臺上編譯通過(guò)、或不能正常執行。你的朋友會(huì )告訴你,你用的內核和書(shū)里的不一致。那該怎么辦呢?
    我想從兩個(gè)方面去解釋這個(gè)問(wèn)題,一方面是如何寫(xiě)好linux設備驅動(dòng),另一方面是如何應對不斷升級的內核。
如何寫(xiě)好Linux設備驅動(dòng)
    Linux設備驅動(dòng)是linux內核的一部分,是用來(lái)封裝硬件細節,為上層提供標準接口的一種方法。為了能夠編寫(xiě)出質(zhì)量比較高的驅動(dòng),要求工程師必須具備以下幾個(gè)方面的知識:
熟悉處理器的性能
    如:處理器的體系結構、匯編語(yǔ)言、工作模式、異常處理等此項對于初學(xué)者來(lái)說(shuō),重要程度:***。也就是說(shuō)還不熟悉驅動(dòng)編寫(xiě)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備驅動(dòng)的興趣。 隨著(zhù)你不斷的熟悉驅動(dòng)的編寫(xiě),你會(huì )很自然的意識到此項的重要性。
掌握驅動(dòng)目標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
    此項的重要程度應該不用多說(shuō)了,編寫(xiě)設備驅動(dòng)的前提就是知道設備的操作方法。但不是說(shuō)要把所有設備的操作方法都熟悉了以后才可以驅動(dòng),你只需要了解你要驅動(dòng)的硬件就可以了。所有這一項對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)重要程度都是:*****。
        掌握硬件的控制方法
    如:中斷、輪詢(xún)、DMA 通常一個(gè)硬件控制器會(huì )有多種控制方法,你需要根據系統性能的需要合理的選擇操作方法。
    此項對于初學(xué)者來(lái)說(shuō):重要程度:****。初學(xué)階段以實(shí)現功能為目的。掌握的順序應該是,輪詢(xún)->中斷->DMA。隨著(zhù)學(xué)習的深入,需要綜合考慮系統的性能需求,采取合適的方法。
良好的GNU C語(yǔ)言編程基礎
    如:C語(yǔ)言的指針、結構體、內存操作、鏈表、隊列、棧、C和匯編混合編程等。
這些編程語(yǔ)法是編寫(xiě)設備驅動(dòng)的基礎。  此項無(wú)論對于初學(xué)者還是熟手重要程度:*****。
良好的linux操作系統概念
    如:多進(jìn)程、多線(xiàn)程、進(jìn)程調度、進(jìn)程搶占、進(jìn)程上下文、虛擬內存、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備驅動(dòng)的使用是linux設備驅動(dòng)區別單片機編程的最大特點(diǎn)。只有理解了它們才會(huì )編寫(xiě)出高質(zhì)量的驅動(dòng)。

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    此項對于初學(xué)者來(lái)說(shuō):重要程度:***。開(kāi)始可以以實(shí)現功能為目的,逐步完善自己的驅動(dòng)。
掌握l(shuí)inux內核中設備驅動(dòng)的編寫(xiě)接口
     如:字符設備的cdev、塊設備的gendisk、網(wǎng)絡(luò )設備的net_device,以及基于這些基本接口的framebuffer設備的fb_info、mtd設備的mtd_info、tty設備的tty_driver、usb設備的usb_driver、mmc設備的mmc_host等
     Linux內核為設備驅動(dòng)編寫(xiě)者留下了標準的接口。驅動(dòng)編寫(xiě)者無(wú)需精通內核的各個(gè)部分,只需要明確內核留給我們的接口,并實(shí)現此接口就可以了。內核流出的接口采用的是面向對象的思路,即把目標設備看成一個(gè)對象,通常利用一個(gè)結構體來(lái)描述這個(gè)對象。驅動(dòng)工程師的任務(wù)就是實(shí)現這個(gè)對象。這個(gè)結構體中會(huì )包含設備的屬性(用變量表示)和操作方法(用函數指針表示)。如:字符設備的cdev
    struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops;  //操作方法結合,其它項都是屬性
    struct list_head list;
    dev_t dev;
    unsigned int count;
};
    此項對于初學(xué)者來(lái)說(shuō):重要程度:****。開(kāi)始階段可以以模仿為主,即套用一些固定的模板。
如何應對不斷升級的內核
    內核升級對驅動(dòng)的影響主要體現在,(1)驅動(dòng)接口定義的變化(2)內核的一些功能函數的名稱(chēng)、參數、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的變化(4)設備模型的影響。下面探討一下,如何應對這幾個(gè)方面的問(wèn)題:
驅動(dòng)接口定義的變化
   如:2.4內核中字符設備驅動(dòng)的注冊接口是
        int register_chrdev(unsigned int major, const char * name, struct file_operations *fops)
        而2.6內核中已經(jīng)不建議使用這種方法了,改為:
        int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
    又如:2.6.27內核中網(wǎng)卡接口的net_device結構成員和低版本的net_device結構成員也發(fā)生了一些變化。
   這種接口定義及注冊方法帶來(lái)的變化,發(fā)生的并不頻繁。解決方案是:參考內核中的代碼。這種接口定義及注冊方法在內核中非常容易找到,如:字符設備驅動(dòng)的注冊方法及接口定義可以參照內核driver/char/目錄下的很多實(shí)例。
   內核的一些功能函數的名稱(chēng)、參數、頭文件、宏定義的變化
    如:中斷注冊函數的格式及參數在2.4內核、2.6內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)
        IRQF_DISAB LED、IRQF_SAMPLE_RANDOM、IRQF_SHARED
    當出現這些問(wèn)題時(shí),編譯過(guò)程中,編譯器會(huì )給我們比較明確的錯誤提示,根據這些提示你可以判斷出是否是缺少頭問(wèn)題、是否是函數參數定義有誤等。解決問(wèn)題的最好辦法還是到你的目標內核中找信息。此時(shí)找問(wèn)題的方法可以借助于搜索,如:你可以在新的內核中搜索request_irq,看新內核中的驅動(dòng)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的變化
    內核中,硬件平臺相關(guān)的代碼在內核更新過(guò)程中變化比較頻繁。和我們的設備驅動(dòng)也是息息相關(guān)。所以在針對一個(gè)新內核編寫(xiě)設備驅動(dòng)前,一定要熟悉你的平臺代碼的結構。有時(shí)平臺雖然提供了內核要求的接口函數,但使用起來(lái)功能卻并不完善。下面還是先舉個(gè)例子說(shuō)明平臺代碼更新對設備驅動(dòng)的影響。
    如:在linux-2.6.8內核中,調用set_irq_type(IRQ_EINT0,IRQT_FALLING);去設置S3C2410的IRQ_EINT0的中斷觸發(fā)信號類(lèi)型,你會(huì )發(fā)現不會(huì )有什么效果。跟蹤代碼發(fā)現內核的set_irq_type函數需要平臺提供一個(gè)針對硬件平臺的實(shí)現函數
        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內核需要的實(shí)現函數,而s3c_irqext_type在2.6.8中的實(shí)現為:
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(lái)并沒(méi)有實(shí)現。而在較高版本的內核,如2.6.26內核中,這個(gè)函數是實(shí)現了的。所以你一定要小心。當平臺函數不好用時(shí),一定要查查原因,或者直接操作硬件寄存器來(lái)達到目的。
2.6內核設備模型對驅動(dòng)的影響
    在2.6內核中寫(xiě)設備驅動(dòng)和在2.4內核中有著(zhù)很大的不同,就是在設備驅動(dòng)中融入了比設備驅動(dòng)本身結構還復雜,難以理解的設備模型。初學(xué)驅動(dòng)時(shí)你可以不理會(huì )設備模型,但你會(huì )發(fā)現內核里的驅動(dòng)代碼基本上都是融入了設備模型的了。所以很多時(shí)候你不得不面對現實(shí),還是要弄懂它,并且它也的注冊方法也會(huì )隨著(zhù)內核的升級而發(fā)生變化。解決此類(lèi)問(wèn)題的最好方法還是參考目標內核驅動(dòng)代碼。

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總結:
    開(kāi)始學(xué)習設備驅動(dòng)時(shí),選擇一個(gè)當前比較流行的內核版本和硬件平臺。不著(zhù)急追趕最新潮流。這樣你可以找到的網(wǎng)絡(luò )資源會(huì )比較多,不至于有孤軍奮戰的感覺(jué)。我想這個(gè)過(guò)程應該不低于1年。當過(guò)了這個(gè)過(guò)程后,嘗試將你編寫(xiě)過(guò)的驅動(dòng)移植到各個(gè)目標平臺上。上面的一些建議、和應對方法是本人的一些經(jīng)驗總結,僅供參考。(轉載)

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