面對(duì)不斷升級(jí)的內(nèi)核如何學(xué)習(xí)linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)

作者：劉洪濤，華清遠(yuǎn)見嵌入式學(xué)院金牌講師。

面對(duì)不斷升級(jí)的linux內(nèi)核、GNU開發(fā)工具、linux環(huán)境下的各種圖形庫，很多l(xiāng)inux應(yīng)用程序開發(fā)人員和linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)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(qiáng)大的功能，煩躁的是適應(yīng)新軟件的特性、搭建新環(huán)境是一項(xiàng)非常繁瑣的事情。本文想從以下3個(gè)方面探討一下“面對(duì)不斷升級(jí)的內(nèi)核，如何學(xué)習(xí)linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)”。

內(nèi)核發(fā)展的現(xiàn)狀及其對(duì)技術(shù)人員的影響

Linux目前主要維護(hù)2.4和2.6兩個(gè)內(nèi)核版本。在http://www.kernel.org/ 網(wǎng)站上已經(jīng)可 以下載到最新的2.6內(nèi)核linux-2.6.31，及最新的2.4內(nèi)核linux-2.4.37。穩(wěn)定版本號(hào)基本上是1~3月更新一次，如：2.6.22至2.6.23。升級(jí)版本號(hào)每1~2周更新一次，如：2.6.23.1至2.6.23.2。

由于高版本內(nèi)核并不完全兼容低版本內(nèi)核，所以內(nèi)核升級(jí)對(duì)從事linux開發(fā)的技術(shù)人員造成了一定的影響，特別對(duì)于linux入門人員。

內(nèi)核的升級(jí)對(duì)應(yīng)從事linux應(yīng)用程序開發(fā)的人員來說影響較小，因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用基本保持兼容。而影響比較大的是驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員。每次內(nèi)核的更新都可以導(dǎo)致很多內(nèi)核函數(shù)使用上的變化。其中有內(nèi)核本身提供的函數(shù)，也有硬件平臺(tái)代碼提供的函數(shù)，后者變化的更加頻繁。這一點(diǎn)讓初學(xué)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的人很迷茫，因?yàn)楫?dāng)他們按照手里的經(jīng)典著作，如：Alessandro的《linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序》，編寫驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)并不能夠成功的在你的linux平臺(tái)上編譯通過、或不能正常執(zhí)行。你的朋友會(huì)告訴你，你用的內(nèi)核和書里的不一致。那該怎么辦呢？

我想從兩個(gè)方面去解釋這個(gè)問題，一方面是如何寫好linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)，另一方面是如何應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的內(nèi)核。

如何寫好Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)

Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)是linux內(nèi)核的一部分，是用來封裝硬件細(xì)節(jié)，為上層提供標(biāo)準(zhǔn)接口的一種方法。為了能夠編寫出質(zhì)量比較高的驅(qū)動(dòng)，要求工程師必須具備以下幾個(gè)方面的知識(shí)：

熟悉處理器的性能

如：處理器的體系結(jié)構(gòu)、匯編語言、工作模式、異常處理等此項(xiàng)對(duì)于初學(xué)者來說，重要程度：***。也就是說還不熟悉驅(qū)動(dòng)編寫方法的情況下，可

以先不把重心放在這一項(xiàng)上，因?yàn)榭赡芤驗(yàn)樗目菰?、抽象而影響到你?duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的興趣。

隨著你不斷的熟悉驅(qū)動(dòng)的編寫，你會(huì)很自然的意識(shí)到此項(xiàng)的重要性。

掌握驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的硬件工作原理及通訊協(xié)議

如：串口控制器、顯卡控制器、硬件編解碼、存儲(chǔ)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(xiàng)的重要程度應(yīng)該不用多說了，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)的前提就是知道設(shè)備的操作方法。但不是說要把所有設(shè)備的操作方法都熟悉了以后才可以驅(qū)動(dòng)，你只需要了解你要驅(qū)動(dòng)的硬件就可以了。所有這一項(xiàng)對(duì)于初學(xué)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(gè)硬件控制器會(huì)有多種控制方法，你需要根據(jù)系統(tǒng)性能的需要合理的選擇操作方法。

此項(xiàng)對(duì)于初學(xué)者來說：重要程度：****。初學(xué)階段以實(shí)現(xiàn)功能為目的。掌握的順序應(yīng)該是，輪詢->中斷->DMA。隨著學(xué)習(xí)的深入，需要綜合考慮系統(tǒng)的性能需求，采取合適的方法。

良好的GNU C語言編程基礎(chǔ)

如:C語言的指針、結(jié)構(gòu)體、內(nèi)存操作、鏈表、隊(duì)列、棧、C和匯編混合編程等。

這些編程語法是編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)。

此項(xiàng)無論對(duì)于初學(xué)者還是熟手重要程度：*****。

良好的linux操作系統(tǒng)概念

如：多進(jìn)程、多線程、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程搶占、進(jìn)程上下文、虛擬內(nèi)存、原子操作、阻塞、睡眠、同步等概念及它們之間的關(guān)系。

這些概念及方法在設(shè)備驅(qū)動(dòng)的使用是linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)區(qū)別單片機(jī)編程的最大特點(diǎn)。只有理解了它們才會(huì)編寫出高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)。

此項(xiàng)對(duì)于初學(xué)者來說：重要程度：***。開始可以以實(shí)現(xiàn)功能為目的，逐步完善自己的驅(qū)動(dòng)。

掌握linux內(nèi)核中設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫接口

如：字符設(shè)備的cdev、塊設(shè)備的gendisk、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的net_device，以及基于這些基本接口的framebuffer設(shè)備的fb_info、mtd設(shè)備的mtd_info、tty設(shè)備的tty_driver、usb設(shè)備的usb_driver、mmc設(shè)備的mmc_host等

Linux內(nèi)核為設(shè)備驅(qū)動(dòng)編寫者留下了標(biāo)準(zhǔn)的接口。驅(qū)動(dòng)編寫者無需精通內(nèi)核的各個(gè)部分，只需要明確內(nèi)核留給我們的接口，并實(shí)現(xiàn)此接口就可以了。內(nèi)核流出的接口采用的是面向?qū)ο蟮乃悸?，即把目?biāo)設(shè)備看成一個(gè)對(duì)象，通常利用一個(gè)結(jié)構(gòu)體來描述這個(gè)對(duì)象。驅(qū)動(dòng)工程師的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)對(duì)象。這個(gè)結(jié)構(gòu)體中會(huì)包含設(shè)備的屬性（用變量表示）和操作方法（用函數(shù)指針表示）。如：字符設(shè)備的cdev

struct cdev {

struct kobject kobj;

struct module *owner;

const struct file_operations *ops; //操作方法結(jié)合，其它項(xiàng)都是屬性

struct list_head list;

dev_t dev;

unsigned int count;

};

此項(xiàng)對(duì)于初學(xué)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(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的內(nèi)核

內(nèi)核升級(jí)對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響主要體現(xiàn)在，（1）驅(qū)動(dòng)接口定義的變化（2）內(nèi)核的一些功能函數(shù)的名稱、參數(shù)、頭文件、宏定義的變化（3）平臺(tái)代碼關(guān)于硬件操作方面封裝的一些函數(shù)的變化（4）設(shè)備模型的影響。下面探討一下，如何應(yīng)對(duì)這幾個(gè)方面的問題：

驅(qū)動(dòng)接口定義的變化

如：2.4內(nèi)核中字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)接口是

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

而2.6內(nèi)核中已經(jīng)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(nèi)核中網(wǎng)卡接口的net_device結(jié)構(gòu)成員和低版本的net_device結(jié)構(gòu)成員也發(fā)生了一些變化。

這種接口定義及注冊(cè)方法帶來的變化，發(fā)生的并不頻繁。解決方案是：參考內(nèi)核中的代碼。這種接口定義及注冊(cè)方法在內(nèi)核中非常容易找到，如：字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)方法及接口定義可以參照內(nèi)核driver/char/目錄下的很多實(shí)例。

內(nèi)核的一些功能函數(shù)的名稱、參數(shù)、頭文件、宏定義的變化

如：中斷注冊(cè)函數(shù)的格式及參數(shù)在2.4內(nèi)核、2.6內(nèi)核低版本和高版本之間都存在差別

在2.6.8中，中斷注冊(cè)函數(shù)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(cè)函數(shù)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(duì)應(yīng)）

IRQF_DISABLED、IRQF_SAMPLE_RANDOM、IRQF_SHARED

當(dāng)出現(xiàn)這些問題時(shí)，編譯過程中，編譯器會(huì)給我們比較明確的錯(cuò)誤提示，根據(jù)這些提示你可以判斷出是否是缺少頭問題、是否是函數(shù)參數(shù)定義有誤等。解決問題的最好辦法還是到你的目標(biāo)內(nèi)核中找信息。此時(shí)找問題的方法可以借助于搜索，如：你可以在新的內(nèi)核中搜索request_irq，看新內(nèi)核中的驅(qū)動(dòng)是如何使用它的。這種方法非常有效。

平臺(tái)代碼關(guān)于硬件操作方面封裝的一些函數(shù)的變化

內(nèi)核中，硬件平臺(tái)相關(guān)的代碼在內(nèi)核更新過程中變化比較頻繁。和我們的設(shè)備驅(qū)動(dòng)也是息息相關(guān)。所以在針對(duì)一個(gè)新內(nèi)核編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)前，一定要熟悉你的平臺(tái)代碼的結(jié)構(gòu)。有時(shí)平臺(tái)雖然提供了內(nèi)核要求的接口函數(shù)，但使用起來功能卻并不完善。下面還是先舉個(gè)例子說明平臺(tái)代碼更新對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的影響。

如：在linux-2.6.8內(nèi)核中，調(diào)用set_irq_type(IRQ_EINT0, IRQT_FALLING);去設(shè)置S3C2410的IRQ_EINT0的中斷觸發(fā)信號(hào)類型，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不會(huì)有什么效果。跟蹤代碼發(fā)現(xiàn)內(nèi)核的set_irq_type函數(shù)需要平臺(tái)提供一個(gè)針對(duì)硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)

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(nèi)核需要的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，而s3c_irqext_type在2.6.8中的實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)。而在較高版本的內(nèi)核，如2.6.26內(nèi)核中，這個(gè)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)了的。所以你一定要小心。當(dāng)平臺(tái)函數(shù)不好用時(shí)，一定要查查原因，或者直接操作硬件寄存器來達(dá)到目的。

2.6內(nèi)核設(shè)備模型對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響

在2.6內(nèi)核中寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)和在2.4內(nèi)核中有著很大的不同，就是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中融入了比設(shè)備驅(qū)動(dòng)本身結(jié)構(gòu)還復(fù)雜，難以理解的設(shè)備模型。初學(xué)驅(qū)動(dòng)時(shí)你可以不理會(huì)設(shè)備模型，但你會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)核里的驅(qū)動(dòng)代碼基本上都是融入了設(shè)備模型的了。所以很多時(shí)候你不得不面對(duì)現(xiàn)實(shí)，還是要弄懂它，并且它也的注冊(cè)方法也會(huì)隨著內(nèi)核的升級(jí)而發(fā)生變化。解決此類問題的最好方法還是參考目標(biāo)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)代碼。

總結(jié)：

開始學(xué)習(xí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，選擇一個(gè)當(dāng)前比較流行的內(nèi)核版本和硬件平臺(tái)。不著急追趕最新潮流。這樣你可以找到的網(wǎng)絡(luò)資源會(huì)比較多，不至于有孤軍奮戰(zhàn)的感覺。我想這個(gè)過程應(yīng)該不低于1年。當(dāng)過了這個(gè)過程后，嘗試將你編寫過的驅(qū)動(dòng)移植到各個(gè)目標(biāo)平臺(tái)上。上面的一些建議、和應(yīng)對(duì)方法是本人的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，僅供參考。

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