Linux系統(tǒng)下程序、內(nèi)核與硬件的關(guān)系

　　目前，Linux軟件工程師大致可分為兩個層次：

　　01

　　Linux應用軟件工程師(Application Software Engineer)：

　　主要利用C庫函數(shù)和Linux API進行應用軟件的編寫;

　　從事這方面的開發(fā)工作，主要需要學習:符合linux posix標準的API函數(shù)及系統(tǒng)調(diào)用，linux的多任務編程技巧：多進程、多線程、進程間通信、多任務之間的同步互斥等，嵌入式數(shù)據(jù)庫的學習，UI編程：QT、miniGUI等。

　　02

　　Linux固件工程師(Firmware Engineer)：

　　主要進行Bootloader、Linux的移植及Linux設備驅(qū)動程序的設計工作。

　　一般而言，固件工程師的要求要高于應用軟件工程師的層次，而其中的Linux設備驅(qū)動編程又是Linux程序設計中比較復雜的部分，究其原因，主要包括如下幾個方面：

　　1 ) 設備驅(qū)動屬于Linux內(nèi)核的部分，編寫Linux設備驅(qū)動需要有一定的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核基礎;需要了解部分linux內(nèi)核的工作機制與系統(tǒng)組成

　　2)編寫Linux設備驅(qū)動需要對硬件的原理有相當?shù)牧私?，大多?shù)情況下我們是針對一個特定的嵌入式硬件平臺編寫驅(qū)動的，例如：針對特定的主機平臺：可能是三星的2410、2440，也可能是atmel的，或者飛思卡爾的等等

　　3 ) Linux設備驅(qū)動中廣泛涉及到多進程并發(fā)的同步、互斥等控制，容易出現(xiàn)bug;因為linux本身是一個多任務的工作環(huán)境，不可避免的會出現(xiàn)在同一時刻對同一設備發(fā)生并發(fā)操作

　　4 ) 由于屬于內(nèi)核的一部分，Linux設備驅(qū)動的調(diào)試也相當復雜。linux設備驅(qū)動沒有一個很好的IDE環(huán)境進行單步、變量查看等調(diào)試輔助工具;linux驅(qū)動跟linux內(nèi)核工作在同一層次，一旦發(fā)生問題，很容易造成內(nèi)核的整體崩潰。

　　在任何一個計算機系統(tǒng)中，大至服務器、PC機、小至手機、mp3/mp4播放器，無論是復雜的大型服務器系統(tǒng)還是一個簡單的流水燈單片機系統(tǒng)，都離不開驅(qū)動程序的身影，沒有硬件的軟件是空中樓閣，沒有軟件的硬件只是一堆廢鐵，硬件是底層的基礎，是所有軟件得以運行的平臺，代碼最終會落實到硬件上的邏輯組合。

　　但是硬件與軟件之間存在一個駁論：為了快速、優(yōu)質(zhì)的完成軟件功能設計，應用程序工程師不想也不愿關(guān)心硬件，而硬件工程師也很難有功夫去處理軟件開發(fā)中的一些應用。例如軟件工程師在調(diào)用printf的時候，不許也不用關(guān)心信息到底是通過什么樣的處理，走過哪些通路顯示在該顯示的地方，硬件工程師在寫完了一個4*4鍵盤驅(qū)動后，無需也不必管應用程序在獲得鍵值后做哪些處理及操作。

　　也就是說軟件工程師需要看到一個沒有硬件的純軟件世界，硬件必須透明的提供給他，誰來實現(xiàn)這一任務?答案是驅(qū)動程序，驅(qū)動程序從字面解釋就是：“驅(qū)使硬件設備行動”。驅(qū)動程序直接與硬件打交道，按照硬件設備的具體形式，驅(qū)動設備的寄存器，完成設備的輪詢、中斷處理、DMA通信，最終讓通信設備可以收發(fā)數(shù)據(jù)，讓顯示設備能夠顯示文字和畫面，讓音頻設備可以完成聲音的存儲和播放。

　　可見，設備驅(qū)動程序充當了硬件和軟件之間的樞紐，因此驅(qū)動程序的表現(xiàn)形式可能就是一些標準的、事先協(xié)定好的API函數(shù)，驅(qū)動工程師只需要去完成相應函數(shù)的填充，應用工程師只需要調(diào)用相應的接口完成相應的功能。無論有沒有操作系統(tǒng)，驅(qū)動程序都有其存在價值，只是在裸機情況下，工作環(huán)境比較簡單、完成的工作較單一，驅(qū)動程序完成的功能也就比較簡單，同時接口只要在小范圍內(nèi)符合統(tǒng)一的標準即可。但是在有操作系統(tǒng)的情況下，此問題就會被放大：硬件來自不同的公司、千變?nèi)f化，全世界每天都會有大量的新芯片被生產(chǎn)，大量的電路板被設計出來，如果沒有一個很好的統(tǒng)一標準去規(guī)范這一程序，操作系統(tǒng)就會被設計的非常冗余，效率會非常低。

　　所以無論任何操作系統(tǒng)都會制定一套標準的架構(gòu)去管理這些驅(qū)動程序：linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的典范，其驅(qū)動架構(gòu)具有很高的規(guī)范性與聚合性，不但把不同的硬件設備分門別類、綜合管理，并且針對不同硬件的共性進行了統(tǒng)一抽象，將其硬件相關(guān)性降到最低，大大簡化了驅(qū)動程序的編寫，形成了具有其特色的驅(qū)動組織架構(gòu)。

　　下圖反映了應用程序、linux內(nèi)核、驅(qū)動程序、硬件的關(guān)系。

　　linux內(nèi)核分為5大部分：多任務管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理、設備管理、網(wǎng)絡管理;

　　每一部分都有承上下的作用，對上提供API接口，提供給應用開發(fā)工程師使用;

　　對下通過驅(qū)動程序屏蔽不同的硬件構(gòu)成，完成硬件的具體操作。