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一、軟件、面向對象、軟件框架 軟件是為了解決現實(shí)問(wèn)題而產(chǎn)生的，面向對象的軟件思維是解決普遍現實(shí)問(wèn)題的一種有效的抽象方法，而軟件框架指的是用面向對象的思維去解決某種特定領(lǐng)域的問(wèn)題而專(zhuān)門(mén)設計的一套行之有效的解決方案。 一般地，JAVA/C++編程反映面向對象的軟件思維，而像Android Framework、Windows MFC和Linux的QT則代表應用層的軟件框架。前述應用框架要解決的問(wèn)題包括應用消息處理、UI控件顯示和處理、資源管理等等。軟件框架帶來(lái)的好處就是對于解決某個(gè)領(lǐng)域問(wèn)題，框架會(huì )幫你完成80%的開(kāi)發(fā)工作量，而你只需要完成20%的開(kāi)發(fā)工作量。 Linux平臺上的各個(gè)子系統，如設備驅動(dòng)模型、input子系統、I2C總線(xiàn)、frame buffer驅動(dòng)等等都屬于軟件框架，它是針對特定的硬件體系需求以面向對象的思維去設計的一種軟件解決方案，而且已經(jīng)經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的多平臺驗證。嚴格意義上，將子系統歸入軟件抽象組件會(huì )更加貼切，而軟件框架表現為一組抽象組件及其組件實(shí)例之間的交互。軟件框架和軟件組件的特點(diǎn)都是解決特點(diǎn)領(lǐng)域問(wèn)題，可以高度重用設計。 Linux系統以C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)為主，C語(yǔ)言在教科書(shū)上會(huì )被認為是過(guò)程語(yǔ)言。事實(shí)上，面向對象只是一種軟件思維，并不局限于某種語(yǔ)言，只不過(guò)C++/JAVA在娘胎(編譯器)里就已經(jīng)得到支持，而C語(yǔ)言通過(guò)struct數據結構和函數指針一樣可以出色地完成面向對象抽象的工作。Linux系統絕對是利用C語(yǔ)言進(jìn)行面向對象編程的開(kāi)山鼻祖，處處洋溢著(zhù)軟件藝術(shù)的光輝！ 二、理解好軟件需求是學(xué)習好軟件框架的前提 對于學(xué)習著(zhù)來(lái)說(shuō)，軟件需求（即軟件要解決的問(wèn)題）和軟件框架都已經(jīng)存在。但學(xué)習者往往只關(guān)注軟件框架，因為學(xué)習的終極目標也是為了掌握軟件框架并使用它來(lái)解決自己的問(wèn)題。對于一般的知識傳播者來(lái)說(shuō)（例如學(xué)校老師、機構培訓師；教科書(shū)或者網(wǎng)絡(luò )文獻），往往也是著(zhù)重于解讀軟件框架的組成和原理。 事實(shí)上，對于一個(gè)代碼量有幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)行代碼量的軟件框架，一開(kāi)始接觸就學(xué)習原理和代碼并不是好事。這種做法很像是試圖從軟件框架的學(xué)習理解中得出軟件需求，有太多的未知就接觸源碼，那理解過(guò)程會(huì )非常痛苦，往往會(huì )感到非常迷惑。 我認為，深入地理解好需求，再去理解軟件框架會(huì )事半功倍。 甚至，當達到一定的水平后，知道了需求，完全可以去猜測軟件框架的實(shí)現。 三、Linux系統的軟件需求 對于軟件需求，最容易讓人聯(lián)想到的是一種具體的業(yè)務(wù)需求，如12306購票業(yè)務(wù)等等。Linux是一種操作系統，操作系統的軟件需求是什么？操作系統是為了給應用層提供良好的接口而進(jìn)行總線(xiàn)設備驅動(dòng)管理、內存管理、文件管理、進(jìn)程管理等等。更多系統學(xué)習資料和內容以及方法加意義氣嗚嗚吧久零就易，總線(xiàn)設備驅動(dòng)管理就是我們今天要談的主題。Linux平臺有各種子系統、各種總線(xiàn)、各種驅動(dòng)，Linux系統對它們的管理就是軟件框架的組成。我們要理解好Linux已有的框架，就要清晰地知曉其解決的問(wèn)題，也就是其管理了哪些硬件設備，這些硬件設備的特點(diǎn)是什么，這些設備的訪(fǎng)問(wèn)方式是什么。 可以說(shuō)，深入地理解硬件體系是理解好Linux總線(xiàn)設備驅動(dòng)框架的前提！從面向對象的角度，我們要弄清楚，物理意義上的硬件是什么，而對應的軟件對象是如何表述的。 以下闡述會(huì )重點(diǎn)講述軟件需求，作為以后分析框架的基礎。 四、總線(xiàn)、驅動(dòng)、設備 1. 總線(xiàn) 總線(xiàn)代表著(zhù)同類(lèi)設備需要共同遵守的工作時(shí)序，不同的總線(xiàn)對于物理電平的要求是不一樣的，對于每個(gè)比特的電平維持寬度也是不一樣，而總線(xiàn)上傳遞的命令也會(huì )有自己的格式約束。如I2C總線(xiàn)、USB總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)等等。以I2C總線(xiàn)為例，在同一組I2C總線(xiàn)上連接著(zhù)不同的I2C設備。 2.設備 設備代表真實(shí)的、具體的物理器件，在軟件上用器件的獨特的參數屬性來(lái)代表該器件。如I2C總線(xiàn)上連接的I2C從設備都有一個(gè)標識自己的設備地址，由這個(gè)設備地址來(lái)確定主設備發(fā)過(guò)來(lái)的命令是否該由它來(lái)響應。 3.驅動(dòng) 驅動(dòng)代表著(zhù)操作設備的方式和流程。對于應用來(lái)說(shuō)，應用程序open打開(kāi)設備后，接著(zhù)就read訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)設備，驅動(dòng)就是如何實(shí)現這個(gè)訪(fǎng)問(wèn)的具體的過(guò)程。驅動(dòng)主要包括兩部分，第一是通過(guò)對SOC的控制寄存器進(jìn)行編程，按總線(xiàn)要求輸出時(shí)序和命令，成功地與外圍設備進(jìn)行交互；第二是對第一步中得到的數據進(jìn)行處理，并向應用層提供特定格式的數據。 a.不同總線(xiàn)的設備的驅動(dòng)過(guò)程是不一樣的，這個(gè)很容易理解，USB鼠標的驅動(dòng)和I2C EEPROM的讀時(shí)序肯定是不一樣的，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序的產(chǎn)生和控制也是驅動(dòng)的一部分。 b.同種總線(xiàn)不同設備類(lèi)型的設備驅動(dòng)也是不一樣的。如I2C電容屏設備，對于讀read來(lái)說(shuō)就是在datasheet規定的地址上去讀觸摸點(diǎn)的X和Y坐標，而I2C EEPROM的讀操作是讀取存儲的內容，兩種設備的datasheet是不一樣的，驅動(dòng)自然是不一樣的。 c.同種總線(xiàn)的同類(lèi)設備的設備驅動(dòng)也可能是不一樣的。例如對于觸摸屏，TSC2003只支持單點(diǎn)觸控，而FT5X06支持多點(diǎn)觸摸。在獲取觸控坐標時(shí)，前者只需要獲得一個(gè)點(diǎn)的數據就返回，而后者則需要先獲得當前有幾個(gè)點(diǎn)的數據，然后再把所有點(diǎn)的坐標都讀出來(lái)。 在驅動(dòng)的操作中，一般都會(huì )用到GPIO和中斷等硬件資源，如上圖的SDA和SCL會(huì )連接到SOC芯片的具體的兩個(gè)GPIO引腳，而I2C讀寫(xiě)時(shí)一般都采用中斷控制的方式（查詢(xún)讀寫(xiě)是否完成比較低效，浪費CPU）。如果我們在驅動(dòng)中直接針對具體的引腳來(lái)編程，那這個(gè)驅動(dòng)的平臺可移植性就比較差，因為不同的產(chǎn)品設計可能引腳不一樣。所以，為了提高驅動(dòng)的可移植性，Linux把驅動(dòng)要用到的GPIO和中斷等資源剝離給設備去管理。即在設備里面包含其自己的設備屬性，還包括了其連接到SOC所用到的資源。而驅動(dòng)重點(diǎn)關(guān)注操作的流程和方法。 4.再談總線(xiàn) 第1點(diǎn)中談到的總線(xiàn)只是物理意義上的表述，總線(xiàn)就是在行業(yè)中制定出標準，明確規定時(shí)序的格式。我們在第3點(diǎn)中談到，在軟件層面上，時(shí)序的產(chǎn)生和控制由驅動(dòng)負責。那我們要思考在軟件層面上，總線(xiàn)的職責是什么？ 總線(xiàn)在軟件層面主要是負責管理設備和驅動(dòng)。 a.設備要讓系統感知自己的存在，設備需要向總線(xiàn)注冊自己；同樣地，驅動(dòng)要讓系統感知自己的存在，也需要向總線(xiàn)注冊自己。設備和總線(xiàn)在初始化時(shí)必須要明確自己是哪種總線(xiàn)的，I2C設備和驅動(dòng)不能向USB總線(xiàn)注冊吧。 b.多個(gè)設備和多個(gè)驅動(dòng)都注冊到同一個(gè)總線(xiàn)上，那設備怎么找到最適合自己的驅動(dòng)呢，或者說(shuō)驅動(dòng)怎么找到其所支持的設備呢？這個(gè)也是由總線(xiàn)負責，總線(xiàn)就像是一個(gè)紅娘，負責在設備和驅動(dòng)中牽線(xiàn)。設備會(huì )向總線(xiàn)提出自己對驅動(dòng)的條件（最簡(jiǎn)單的也是最精確的就是指定對方的名字了），而驅動(dòng)也會(huì )向總線(xiàn)告知自己能夠支持的設備的條件（一般是型號ID等，最簡(jiǎn)單的也可以是設備的名字）。那設備在注冊的時(shí)候，總線(xiàn)就會(huì )遍歷注冊在它上面的驅動(dòng)，找到最適合這個(gè)設備的驅動(dòng)，然后填入設備的結構成員中；驅動(dòng)注冊的時(shí)候，總線(xiàn)也會(huì )遍歷注冊在其之上的設備，找到其支持的設備（可以是多個(gè)，驅動(dòng)和設備的關(guān)系是1:N），并將設備填入驅動(dòng)的支持列表中。我們稱(chēng)總線(xiàn)這個(gè)牽線(xiàn)的行為是match。牽好線(xiàn)之后，設備和驅動(dòng)之間的交互紅娘可不管了。 c.總線(xiàn)在匹配設備和驅動(dòng)之后驅動(dòng)要考慮一個(gè)這樣的問(wèn)題，設備對應的軟件數據結構代表著(zhù)靜態(tài)的信息，真實(shí)的物理設備此時(shí)是否正常還不一定，因此驅動(dòng)需要探測這個(gè)設備是否正常。我們稱(chēng)這個(gè)行為為probe，至于如何探測，那是驅動(dòng)才知道干的事情，總線(xiàn)只管吩咐得了。所以我們可以猜測在總線(xiàn)的管理代碼中會(huì )有這樣的邏輯： if(match(device, driver) == OK) driver->probe(); |
