如何學習linux裝置驅動

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2.6兩個核心版本，在http://www.kernel.org/ 網站上已經可以下載到最新的2.6核心linux-2.6.38.6，及最新的2.4核心linux-2.4.37.11。穩定版本號碼基本上是1~3月更新一次，如：2.6.35至2.6.36，升級版本號碼每1~2周更新一次，如：2.6.35.1至2.6.35.2。 升級後的高版本核心並不完全相容低版本核心，所以核心升級對於從事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，核心的升級對從事linux應用程式開發的人員來說影響較小，因為系統調用基本保持相容，影響比較大的是驅動開發人員。每次核心的更新都可能導致許多核心功能原型上的變化，其中既有核心本身提供的函數，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裝置驅動程式》，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，原因就在於你用的核心和書裡的不一致。

本文從兩個方面去解釋這個問題，一方面是如何寫好linux裝置驅動，另一方面是如何應對不斷升級的核心。

如何寫好Linux裝置驅動

Linux裝置驅動是linux核心的一部分，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。為了能夠編寫出品質比較高的驅動程式，要求工程師必須具備以下幾個方面的知識：

●    熟悉處理器的效能

如：處理器的體繫結構、組合語言、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，因為可能因為它的枯燥、抽象而影響到你對裝置驅動的興趣。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、儲存卡控制器、I2C通訊、SPI通訊、USB通訊、SDIO通訊、I2S通訊、PCI通訊等。編寫裝置驅動的前提就是需要瞭解裝置的操作方法，所以這些內容的重要程度不言而喻。但不是說要把所有裝置的操作方法都熟悉了以後才可以寫驅動，你只需要瞭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，你需要根據系統效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效能需求，採取合適的方法。

●    良好的GNU C語言編程基礎

如：C語言的指標、結構體、記憶體操作、鏈表、隊列、棧、C和彙編混合編程等。這些編程文法是編寫裝置驅動的基礎，無論對於初學者還是有經驗者都非常重要。

●    良好的linux作業系統概念

如：多進程、多線程、進程調度、進程搶佔、進程上下文、虛擬記憶體、原子操作、阻塞、睡眠、同步等概念及它們之間的關係。這些概念及方法在裝置驅動裡的使用是linux裝置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品質的驅動。

●    掌握linux核心中裝置驅動的編寫介面

如：字元裝置的cdev、塊裝置的gendisk、網路裝置的net_device，以及基於這些基本介面的framebuffer裝置的fb_info、mtd裝置的mtd_info、tty裝置的tty_driver、usb裝置的usb_driver、mmc裝置的mmc_host等。

Linux核心為裝置驅動編寫者提供了標準的介面，驅動編寫者無需精通核心的各個部分，只需要明確核心提供給我們的介面，並實現此介面就可以了。核心提供的介面採用的是物件導向的思路，即把目標裝置抽象成一個對象，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裝置的屬性（用變數表示）和操作方法（用函數指標表示）。如：字元裝置的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核心

核心升級對驅動的影響主要體現在，（1）驅動介面定義的變化；（2）核心的一些功能函數的名稱、參數、標頭檔、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）裝置模型的影響。

●    驅動介面定義的變化

如：2.4核心中字元裝置驅動的註冊介面是：

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

而2.6核心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：參考核心中的代碼。這種介面定義及註冊方法在核心中非常容易找到，如：字元裝置驅動的註冊方法及介面定義可以參照核心driver/char/目錄下的很多執行個體。

●    核心的一些功能函數的名稱、參數、標頭檔、宏定義的變化

如：中斷註冊函數的格式及參數在2.4核心、2.6核心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標頭檔問題、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核心中找資訊。此時找問題的方法可以藉助於搜尋，如：你可以在新的核心中搜尋request_irq，看新核心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

核心中，硬體平台相關的代碼在核心更新過程中變化比較頻繁，和我們的裝置驅動也是息息相關，所以在針對一個新核心編寫裝置驅動前，一定要熟悉你的平台代碼的結構。有時平台雖然提供了核心要求的介面函數，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裝置驅動的影響。

如：在linux-2.6.8核心中，調用set_irq_type(IRQ_EINT0,IRQT_FALLING);去設定S3C2410的IRQ_EINT0的中斷觸發訊號類型，你會發現不會有什麼效果。跟蹤代碼發現核心的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核心需要的實現函數，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。而在較高版本的核心，如2.6.26核心中，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核心裝置模型對驅動的影響

在2.6核心中寫裝置驅動和在2.4核心中有著很大的不同，主要就是在裝置驅動中融入了比裝置驅動本身結構還複雜、還難以理解的裝置模型。初學驅動時你可以不理會裝置模型，但你會發現核心裡的驅動代碼基本上都是融入了裝置模型的了。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核心的升級而發生變化。解決此類問題的最好方法還是參考目標核心驅動代碼。

總結：

開始學習裝置驅動時，選擇一個當前比較流行的核心版本和硬體平台，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。當過了這個過程後，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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