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內核不斷升級 如何學習linux設備驅動

  【IT168技術】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。

  由於高版本內核並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,特別對於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,也有硬件平台代碼提供的函數,後者變化的更加頻繁。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。你的朋友會告訴你,你用的內核和書裡的不一致。那該怎麼辦呢?

  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,為上層提供標准接口的一種方法。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、異常處理等此項對於初學者來說,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後才可以驅動,你只需要了解你要驅動的硬件就可以了。所有這一項對於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。

  此項對於初學者來說: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。

  此項無論對於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。

  此項對於初學者來說: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內核為設備驅動編寫者留下了標准的接口。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,並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;

  };

  此項對於初學者來說: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)平台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。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,發生的並不頻繁。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。

  平台代碼關於硬件操作方面封裝的一些函數的變化

  內核中,硬件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件平台的實現函數

  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 %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。當平台函數不好用時,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,但你會發現內核裡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台。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台上。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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