本章导读
本章将带您走进Linux设备驱动的精彩世界。
1.1节揭示了设备驱动的概念和作用。
1.2节和1.3节分别述说在无操作系统情况下和有操作系统情况下设备驱动的设计,通过对两者不同的剖析阐述设备驱动与硬件和操作系统的关系。
1.4节对Linux操作系统的设备驱动进行了概要性的介绍,给出了驱动与整个软硬件系统的关系,剖析了Linux设备驱动的重难点和学习方式。
本章的最后给出了一个设备驱动的“HelloWorld”实例,即最简单的LED驱动在无操作系统情况下和Linux操作系统下的实现。
1.1设备驱动的作用
任何一个计算机系统的运转都是系统中软硬件共同努力的结果,没有硬件的软件是空中楼阁,而没有软件的硬件则只是一堆废品。硬件是底层基础,是所有软件得以运行的平台,代码最终会落实为硬件上的组合逻辑与时序逻辑。软件则实现了具体应用,它根据各类不同的业务需求而设计,完成了用户的最终诉求。硬件较固定,软件则很灵活linux设备驱动开发详解 源码,可以适应各类复杂多变的应用。可以说,计算机系统的软硬件相互成就了对方。
然而,软硬件之间同样存在着悖论,那就是软件和硬件不应当相互渗透入对方的领地。为尽可能快速地完成设计,应用软件工程师不想也毋须关心硬件,而硬件工程师也难有足够的消遣和能力来顾及软件。例如,应用软件工程师在调用套接字发送和接收数据包的时侯,他毋须关心网卡上的中断、寄存器、存储空间、I/O端口、片选以及其他任何硬件词汇;在使用printf()函数输出信息的时侯,他不用晓得底层到底是如何把相应的信息输出到屏幕或则并口。
也就是说,应用软件工程师须要见到一个没有硬件的纯粹的软件世界,硬件必须被透明地呈现给他。谁来实现硬件对应用软件工程师的隐型?这个光荣而繁重的任务就落在了驱动工程师的头顶。
对设备驱动最浅显的解释就是“驱使硬件设备行动”。驱动与底层硬件直接打交道,根据硬件设备的具体工作方法,读写设备的寄存器,完成设备的寻址、中断处理、DMA通讯,进行化学显存向虚拟显存的映射……凡此种种,最终让通讯设备能收发数据,让显示设备能显示文字和画面,让储存设备能记录文件和数据。
由此可见,设备驱动充当了硬件和应用软件之间的纽带,它促使应用软件只须要调用系统软件的应用编程插口(API)就可让硬件去完成要求的工作。在系统中没有操作系统的情况下,工程师可以按照硬件设备的特性自行定义插口,如对并口定义SerialSend()、SerialRecv(),对LED定义LightOn()、LightOff(),对Flash定义FlashWrite()、FlashRead()等。而在有操作系统的情况下,驱动的构架则由相应的操作系统定义,驱动工程师必须根据相应的构架设计驱动,这样,驱动能够良好地整合入操作系统的内核。
驱动程序沟通着硬件和应用软件linux deepin,而驱动工程师则沟通着硬件工程师和应用软件工程师。目前,随着通讯、电子行业的迅速发展,全世界每天都会有大量的新芯片被生产,大量的新电路板被设计,也为此,会有大量地设备驱动须要开发。这种驱动,或运行在简单的单任务环境,或运行在VxWorks、Linux、Windows等多任务操作系统环境,发挥着不可取代的作用。
1.2无操作系统时的设备驱动
并不是任何一个计算机系统都一定要运行操作系统,有许多情况下,操作系统都毋须存在。对于功能比较单一、控制并不复杂的系统,例如ASIC内部、公交车的刷卡机、电冰柜、微波炉、简单的手机和小灵通等,并不须要多任务调度、文件系统、内存管理等复杂功能,用单任务构架完全可以良好地支持它们的工作。一个无限循环中参杂对设备中断的测量或则对设备的寻址是此类系统中软件的典型构架linux漏洞扫描,如代码清单1-1。
代码清单1-1单任务软件典型构架
1intmain(intargc,char*argv[])
2{
3while(1)
4{
5if(serialInt==1)
6/*有并口中断*/
7{
8ProcessSerialInt();/*处理并口中断*/
9serialInt=0;/*中断标志变量清0*/
10}
11if(keyInt==1)
12/*有键盘中断*/
13{
14ProcessKeyInt();/*处理键盘中断*/
15keyInt=0;/*中断标志变量清0*/
16}
17status=CheckXXX();
18switch(status)
19{
20...
21}
22...
23}
24}
在这样的系统中,即使不存在操作系统,并且设备驱动则无论怎样都必须存在。通常情况下,对每一种设备驱动就会定义为一个软件模块,包含.h文件和.c文件,后者定义该设备驱动的数据结构并申明外部函数,前者进行驱动的具体实现。例如,可以如代码清单1-2那样定义一个并口的驱动。
代码清单1-2无操作系统情况下并口的驱动
1/**********************
2*serial.h文件
3**********************/
4externvoidSerialInit(void);
5externvoidSerialSend(constcharbuf*,intcount);
6externvoidSerialRecv(charbuf*,intcount);
8/**********************
9*serial.c文件
10**********************/
11/*初始化并口*/
12voidSerialInit(void)
13{
14...
15}
16/*并口发送*/
17voidSerialSend(constcharbuf*,intcount)
18{
19...
20}
21/*并口接收*/
22voidSerialRecv(charbuf*,intcount)
23{
24...
25}
26/*并口中断处理函数*/
27voidSerialIsr(void)
28{
29...
30serialInt=1;
31}
其他模块想要使用这个设备的时侯,只须要包含设备驱动的头文件serial.hlinux设备驱动开发详解 源码,之后调用其中的外部插口函数。如我们要从并口上发送“HelloWorld”字符串,使用句子SerialSend(“HelloWorld”,11)即可。
由此可见,在没有操作系统的情况下,设备驱动的插口被直接递交给了应用软件工程师,应用软件没有跨越任何层次就直接访问了设备驱动的插口。驱动包含的插口函数也与硬件的功能直接吻合,没有任何附加功能。图1.1给出了无操作系统情况下硬件、驱动与应用软件的关系。
图1.1无操作系统时硬件、驱动和应用软件的关系
有的工程师把单任务系统设计成了如图1.2所示的结构,即设备驱动和具体的应用软件模块之间平等,驱动中包含了业务层面上的处理,这似乎是不合理的,不符合软件设计中高内聚,低耦合的要求。
图1.2驱动与应用高耦合的不合理设计
另一种不合理的设计是直接在应用中操作硬件的寄存器,而不单独设计驱动模块,如图1.3所示。这些设计意味着系统中不存在或无法充分借助可被重用的驱动代码。
图1.3应用直接访问硬件的不合理设计