如何學習linux設備驅動

 

如何學習linux設備驅動

作者：於連慶,華清遠見嵌入式學院講師。

Linux系統目前主要維護2.4和2.6兩個內核版本，在http://www.kernel.org/ 網站上已經可以下載到最新的2.6內核linux-2.6.38.6，及最新的2.4內核linux-2.4.37.11。穩定版本號基本上是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。 升級後的高版本內核並不完全兼容低版本內核，所以內核升級對於從事linux開發的技術人員來說影響很大，特別是對於那些剛剛從事linux開發的人員。

通常，內核的升級對從事linux應用程序開發的人員來說影響較小，因爲系統調用基本保持兼容，影響比較大的是驅動開發人員。每次內核的更新都可能導致許多內核函數原型上的變化，其中既有內核本身提供的函數，也有硬件平臺代碼提供的函數，後者變化的更加頻繁。這一點從許多經典書籍就可驗證，當你按照手裏的經典著作，如：Alessandro的《linux設備驅動程序》，編寫驅動時，發現並不能夠成功的在你的linux平臺上編譯通過、或不能正常執行，原因就在於你用的內核和書裏的不一致。

本文從兩個方面去解釋這個問題，一方面是如何寫好linux設備驅動，另一方面是如何應對不斷升級的內核。

如何寫好Linux設備驅動

Linux設備驅動是linux內核的一部分，是用來屏蔽硬件細節，爲上層提供標準接口的一種技術手段。爲了能夠編寫出質量比較高的驅動程序，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：處理器的體系結構、彙編語言、工作模式、異常處理等。對於初學者來說，在還不熟悉驅動編寫方法的情況下，可以先不把重心放在這一項上，因爲可能因爲它的枯燥、抽象而影響到你對設備驅動的興趣。隨着你不斷地熟悉驅動的編寫，你會很自然的意識到此項的重要性。

●    掌握驅動目標的硬件工作原理及通訊協議

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。編寫設備驅動的前提就是需要了解設備的操作方法，所以這些內容的重要程度不言而喻。但不是說要把所有設備的操作方法都熟悉了以後纔可以寫驅動，你只需要瞭解你要驅動的硬件就可以了。

●    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，你需要根據系統性能的需要合理的選擇操作方法。初學階段以實現功能爲目的，掌握的順序應該是，輪詢->中斷->DMA。隨着學習的深入，需要綜合考慮系統的性能需求，採取合適的方法。

●    良好的GNU C語言編程基礎

如：C語言的指針、結構體、內存操作、鏈表、隊列、棧、C和彙編混合編程等。這些編程語法是編寫設備驅動的基礎，無論對於初學者還是有經驗者都非常重要。

●    良好的linux操作系統概念

如：多進程、多線程、進程調度、進程搶佔、進程上下文、虛擬內存、原子操作、阻塞、睡眠、同步等概念及它們之間的關係。這些概念及方法在設備驅動裏的使用是linux設備驅動區別單片機編程的最大特點，只有理解了它們纔會編寫出高質量的驅動。

●    掌握linux內核中設備驅動的編寫接口

如：字符設備的cdev、塊設備的gendisk、網絡設備的net_device，以及基於這些基本接口的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內核爲設備驅動編寫者提供了標準的接口，驅動編寫者無需精通內核的各個部分，只需要明確內核提供給我們的接口，並實現此接口就可以了。內核提供的接口採用的是面向對象的思路，即把目標設備抽象成一個對象，通常利用一個結構體來描述這個對象。驅動工程師的任務就是實現這個對象。這個結構體中會包含設備的屬性（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;
        };

開始階段可以以模仿爲主，即套用一些固定的模板、參考例程。

如何應對不斷升級的內核

內核升級對驅動的影響主要體現在，（1）驅動接口定義的變化；（2）內核的一些功能函數的名稱、參數、頭文件、宏定義的變化；（3）平臺代碼關於硬件操作方面封裝的一些函數的變化；（4）設備模型的影響。

●    驅動接口定義的變化

如：2.4內核中字符設備驅動的註冊接口是：

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

而2.6內核中已經不建議使用這種方法了，改爲：

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

這種接口定義及註冊方法帶來的變化，發生的並不頻繁。解決方案是：參考內核中的代碼。這種接口定義及註冊方法在內核中非常容易找到，如：字符設備驅動的註冊方法及接口定義可以參照內核driver/char/目錄下的很多實例。

●    內核的一些功能函數的名稱、參數、頭文件、宏定義的變化

如：中斷註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，中斷註冊函數的定義爲：

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的取值主要爲下面的某一種或組合： SA_INTERRUPT、SA_SAMPLE_RANDOM、SA_SHIRQ

在2.6.26中，中斷註冊函數的定義爲：

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的取值主要爲下面的某一種或組合：（功能和2.6.8的對應）IRQF_DISABLED、IRQF_SAMPLE_RANDOM、IRQF_SHARED

當出現這些問題時，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、是否是函數參數定義有誤等。解決問題的最好辦法還是到你的目標內核中找信息。此時找問題的方法可以藉助於搜索，如：你可以在新的內核中搜索request_irq，看新內核中的驅動是如何使用它的，這種方法非常有效。

●    平臺代碼關於硬件操作方面封裝的一些函數的變化

內核中，硬件平臺相關的代碼在內核更新過程中變化比較頻繁，和我們的設備驅動也是息息相關，所以在針對一個新內核編寫設備驅動前，一定要熟悉你的平臺代碼的結構。有時平臺雖然提供了內核要求的接口函數，但使用起來功能卻並不完善。下面還是先舉個例子說明平臺代碼更新對設備驅動的影響。

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的中斷觸發信號類型，你會發現不會有什麼效果。跟蹤代碼發現內核的set_irq_type函數需要平臺提供一個針對硬件平臺的實現函數

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內核需要的實現函數，而s3c_irqext_type在2.6.8中的實現爲： 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;
        }

原來並沒有實現。而在較高版本的內核，如2.6.26內核中，這個函數是實現了的。所以你一定要小心。當平臺函數不好用時，一定要查查原因，或者直接操作硬件寄存器來達到目的。

●    2.6內核設備模型對驅動的影響

在2.6內核中寫設備驅動和在2.4內核中有着很大的不同，主要就是在設備驅動中融入了比設備驅動本身結構還複雜、還難以理解的設備模型。初學驅動時你可以不理會設備模型，但你會發現內核裏的驅動代碼基本上都是融入了設備模型的了。所以很多時候你不得不面對現實，還是要弄懂它，並且它也的註冊方法也會隨着內核的升級而發生變化。解決此類問題的最好方法還是參考目標內核驅動代碼。

總結：

開始學習設備驅動時，選擇一個當前比較流行的內核版本和硬件平臺，不急於追趕最新潮流。這樣你可以找到的網絡資源會比較多，不至於有孤軍奮戰的感覺。我想這個過程應該不低於1年。當過了這個過程後，嘗試將你編寫過的驅動移植到各個目標平臺上。

（本文參考了一些網上資料，因原出處不詳，特向資料的原作者致謝！）