如何學習linux設備驅動

作者：於連慶,華清遠見嵌入式培訓中心講師.

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. 升級后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,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,也有硬體平台代碼提供的函數,後者變化的更加頻繁.這一點從許多經典書籍就可驗證,當你按照手裡的經典著作,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平台上編譯通過、或不能正常執行,原因就在於你用的內核和書里的不一致.

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,是用來屏蔽硬體細節,為上層提供標準介面的一種技術手段.為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,可能它的枯燥、抽象而影響到你對設備驅動的興趣.隨著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.

● 掌握驅動目標的硬體工作原理及通訊協議

如：串口控制器、顯卡控制器、硬體編解碼、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才可以寫驅動,你只需要了解你要驅動的硬體就可以了.

● 掌握硬體的控制方法

如：中斷、輪詢、DMA 等,通常一個硬體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為目的,掌握的順序應該是,輪詢->中斷->DMA.隨著學習的深入,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里的使用是linux設備驅動區別單片機編程的最大特點,只有理解了它們才會編寫出高質量的驅動.

● 掌握linux內核中設備驅動的編寫介面

如：字元設備的cdev、塊設備的gendisk、網路設備的net_device,以及基於這些基本介面的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內核為設備驅動編寫者提供了標準的介面,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介面,並實現此介面就可以了.內核提供的介面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（用變數表示）和操作方法（用函數指針表示）.如：字元設備的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為主,即套用一些固定的模板、參考常式.

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）驅動介面定義的變化；（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）平台代碼關於硬體操作方面封裝的一些函數的變化；（4）設備模型的影響.

● 驅動介面定義的變化

如：2.4內核中字元設備驅動的註冊介面是：

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,改為：

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

這種介面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.這種介面定義及註冊方法在內核中非常容易找到,如：字元設備驅動的註冊方法及介面定義可以參照內核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,中斷註冊函數的定義為：

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_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.

● 平台代碼關於硬體操作方面封裝的一些函數的變化

內核中,硬體平台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,一定要熟悉你的平台代碼的結構.有時平台雖然提供了內核要求的介面函數,但使用起來功能卻並不完善.下面還是先舉個例子說明平台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函數需要平台提供一個針對硬體平台的實現函數

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中的實現為： static int s3c_irqext_type(unsigned int irq, unsigned int type)
{
irqdbf("s3c_irqext_type: called for irq %d, type %dn", 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.當平台函數不好用時,一定要查查原因,或者直接操作硬體寄存器來達到目的.

● 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內核中有著很大的不同,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,但你會發現內核里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著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體平台,不急於追趕最新潮流.這樣你可以找到的網路資源會比較多,不至於有孤軍奮戰的感覺.我想這個過程應該不低於1年.當過了這個過程后,嘗試將你編寫過的驅動移植到各個目標平台上.

（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！）

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Tags: linux system 系統