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面對不斷升級的內核，如何學習linux設備驅動 ![]() Post By：2009-8-10 21:19:15
作者：劉洪濤，華清遠見嵌入式學院金牌講師。
面對不斷升級的linux內核、GNU開發工具、linux環境下的各種圖形庫，很多linux應用程序開發人員和linux設備驅動開發人員即興奮，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、搭建新環境是一項非常繁瑣的事情。本文想從以下3個方面探討一下“面對不斷升級的內核，如何學習linux設備驅動”。
內核發展的現狀及其對技術人員的影響
Linux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-2.6.31，及最新的2.4內核linux-2.4.37。穩定版本號基本上是1~3月更新一次，如：2.6.22至2.6.23。升級版本號每1~2周更新一次，如：2.6.23.1至2.6.23.2。
由于高版本內核并不完全兼容低版本內核，所以內核升級對從事linux開發的技術人員造成了一定的影響，特別對于linux入門人員。
內核的升級對應從事linux應用程序開發的人員來說影響較小，因為系統調用基本保持兼容。而影響比較大的是驅動開發人員。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。這一點讓初學內核驅動的人很迷茫，因為當他們按照手里的經典著作，如：Alessandro的《linux設備驅動程序》，編寫驅動時，發現并不能夠成功的在你的linux平臺上編譯通過、或不能正常執行。你的朋友會告訴你，你用的內核和書里的不一致。那該怎么辦呢？
我想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。為了能夠編寫出質量比較高的驅動，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、匯編語言、工作模式、異常處理等此項對于初學者來說，重要程度：***。也就是說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，因為可能因為它的枯燥、抽象而影響到你對設備驅動的興趣。
隨著你不斷的熟悉驅動的編寫，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
此項的重要程度應該不用多說了，編寫設備驅動的前提就是知道設備的操作方法。但不是說要把所有設備的操作方法都熟悉了以后才可以驅動，你只需要了解你要驅動的硬件就可以了。所有這一項對于初學者來說重要程度都是：*****。
掌握硬件的控制方法
如：中斷、輪詢、DMA 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。
此項對于初學者來說：重要程度：****。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，采取合適的方法。
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和匯編混合編程等。
這些編程語法是編寫設備驅動的基礎。
此項無論對于初學者還是熟手重要程度：*****。
良好的linux操作系統概念
如：多進程、多線程、進程調度、進程搶占、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系。
這些概念及方法在設備驅動的使用是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。
此項對于初學者來說：重要程度：***。開始可以以實現功能為目的，逐步完善自己的驅動。
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內核為設備驅動編寫者留下了標準的接口。驅動編寫者無需精通內核的各個部分，只需要明確內核留給我們的接口，并實現此接口就可以了。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;
};
此項對于初學者來說：重要程度：****。開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，如何應對這幾個方面的問題：
驅動接口定義的變化
如：2.4內核中字符設備驅動的注冊接口是
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內核中網卡接口的net_device結構成員和低版本的net_device結構成員也發生了一些變化。
這種接口定義及注冊方法帶來的變化，發生的并不頻繁。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_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，看新內核中的驅動是如何使用它的。這種方法非常有效。
平臺代碼關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，但使用起來功能卻并不完善。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，你會發現不會有什么效果。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;
}
原來并沒有實現。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內核中有著很大的不同，就是在設備驅動中融入了比設備驅動本身結構還復雜，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，并且它也的注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件平臺。不著急追趕最新潮流。這樣你可以找到的網絡資源會比較多，不至于有孤軍奮戰的感覺。我想這個過程應該不低于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臺上。上面的一些建議、和應對方法是本人的一些經驗總結，僅供參考。 |
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發表于 2009-8-20 20:08:46
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