為多功能片上系統(tǒng)處理器編寫 Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

為多功能片上系統(tǒng)處理器編寫 Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

　引 言
　　編寫 Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序無疑是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。本文將集中介紹非標(biāo)準(zhǔn)硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫，探討硬件應(yīng)用編程接口，并借用 Cirrus Logic EP9312 片上系統(tǒng)嵌入式平臺(tái)添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序這一案例來進(jìn)行分析。
　　如果有些編程內(nèi)容未能在本文中涉及，那么讀者亦可以查閱相似的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編碼，以做參考。還有一種方法，就是檢索歷史檔案或者向 Linux 內(nèi)核問訊中心去函問訊。
　　Linux 概述
　　Linux 是 UNIX 操作系統(tǒng)的翻版，1991 年由 Linus Torvalds 最先開發(fā)出來，并通過開放源代碼開發(fā)模式不斷得到開放源代碼組織的改進(jìn)。任何使用 Linux 的個(gè)人和團(tuán)體都無需支付任何版權(quán)費(fèi)用。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/8240.htm

　　只有內(nèi)核還不夠，通常Linux 與一些在內(nèi)核上運(yùn)行的視窗環(huán)境、視窗管理器和應(yīng)用捆綁在一起。然而，由于具備了嵌入式平臺(tái)，視窗環(huán)境并非必不可少。與微軟的視窗操作系統(tǒng)不同的是，Linux 并不需要一套固定的、必須采用的應(yīng)用軟件或?qū)嵱贸绦?，因此能夠十分符合嵌入式市場終端解決方案的客制化要求。
　　操作系統(tǒng)最基本的組成部分包括 1個(gè)資源管理器、1個(gè)調(diào)度程序、1個(gè)介于硬件和應(yīng)用軟件之間的接口、1個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器和 1 個(gè)文檔系統(tǒng)管理器。Linux操作系統(tǒng)也包括這些組成部分，當(dāng)然還有其他部分。本文主要闡述介于硬件和應(yīng)用軟件之間的接口--設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
　　圖1解釋了用戶應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件平臺(tái)之間的區(qū)別。
　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序類型
　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可分為2大類：硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和物理硬件設(shè)備相連接，如UART設(shè)備或IDE設(shè)備，而軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則作為低級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)間的接口，或硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)間的接口。圖形控制臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序就是一個(gè)軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其中，1個(gè)LCD控制器驅(qū)動(dòng)程序裝載并管理該顯示器，同時(shí)圖形控制臺(tái)對(duì)即將顯示的字符進(jìn)行著色，并獲取從鍵盤輸入的信息。軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的另一個(gè)例子是文檔系統(tǒng)執(zhí)行--文檔系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序采用1個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)程序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而該硬盤驅(qū)動(dòng)程序直接與物理硬盤相連接。
　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的分類
　　Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有幾類：字符、區(qū)塊、網(wǎng)絡(luò)和其他。通常，驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)設(shè)備的訪問方式分類。然而，也有些設(shè)備無法按照此類方式得到區(qū)分，因此被歸到"其他類型"。字符設(shè)備包括那些使數(shù)據(jù)成為數(shù)據(jù)流的設(shè)備，可通過1個(gè)文檔系統(tǒng)的特殊文件獲得（文檔系統(tǒng)的特殊文件將在后文中加以討論）。鑒于字符設(shè)備的特性，該設(shè)備只能根據(jù)順序訪問數(shù)據(jù)，即無法往前或往后搜索數(shù)據(jù)。串行端口和音頻設(shè)備都是這種類型。圖2是Cirrus Logic的EP9312 片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中Linux字符設(shè)備以綠色標(biāo)出。
　　區(qū)塊設(shè)備能夠照管1個(gè)文檔系統(tǒng)。該類設(shè)備和字符設(shè)備一樣，也是通過文檔系統(tǒng)特殊文件訪問。但是，區(qū)塊設(shè)備與文檔設(shè)備的差異在于其可被隨機(jī)訪問。這意味著，應(yīng)用軟件可查找在該設(shè)備中的隨機(jī)位置。硬盤驅(qū)動(dòng)器和CD驅(qū)動(dòng)器都是區(qū)塊設(shè)備，它們內(nèi)部的文件指針可以指向設(shè)備內(nèi)部的任何位置，惟一的限制來自設(shè)備本身。當(dāng)區(qū)塊設(shè)備通過文檔系統(tǒng)特殊文件訪問時(shí)，該應(yīng)用接口即同字符設(shè)備一樣，只是與內(nèi)核的接口有所差別而已。圖2中的紅色部分即為Cirrus Logic EP9312 片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中Linux區(qū)塊設(shè)備。

　　網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備既可以是硬件設(shè)備，也可以是軟件設(shè)備。硬件設(shè)備如以太網(wǎng)卡，軟件設(shè)備如低端網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧（本文將此類接口視為軟件設(shè)備）。中間件和協(xié)議堆棧有時(shí)會(huì)被看作是軟件設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備是信息包數(shù)據(jù)的通信設(shè)備，一般擁有惟一名稱，并且無法通過文檔系統(tǒng)特殊文件訪問。相反，它們只對(duì)內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)堆棧開放。通常，用戶級(jí)應(yīng)用軟件可訪問內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)堆棧，而不能訪問網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備。圖2中的藍(lán)色部分即為Cirrus Logic EP9312 片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的Linux網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備。
　　其他的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還包括數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)程序（USB, I2C, AMBA等）、 /proc 接口和視頻驅(qū)動(dòng)程序。這些類型的設(shè)備無法被歸入以上的3個(gè)類型中，但仍然是與Linux內(nèi)核接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
　　文檔系統(tǒng)特殊文件
　　文檔系統(tǒng)特殊文件提供了從文檔系統(tǒng)訪問硬件設(shè)備的可行性。這些訪問點(diǎn)使用mknod 命令在文檔系統(tǒng)/dev 目錄中生成。命令如下：
　　mknod <device name> <device type> <major number> <minor number>
　　其中， <device name> 是給予硬件設(shè)備的名稱，如 /dev/hda1 是給予硬盤驅(qū)動(dòng)器的通用名稱。<device type> 是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的類型--字符（char）、區(qū)塊等。<major number> 代表設(shè)備類別和與之相配的驅(qū)動(dòng)程序。<minor number> 表示設(shè)備類別中的一個(gè)實(shí)例，并僅對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序適用。例如，某個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)采用2個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器，它們都具有同樣的主要編號(hào)，使用同樣的設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，但是該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序軟件卻會(huì)在內(nèi)部根據(jù)次要編號(hào)區(qū)分這2個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器。
　　值得注意的是，并非所有的設(shè)備都執(zhí)行特殊文件接口。如同本文前面已經(jīng)提及的，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就不采用這種接口訪問設(shè)備。
        這種情況下，在設(shè)備文檔系統(tǒng)里，就會(huì)使用 devfs來獲得文檔設(shè)備特殊文件。devfs 目前廣受歡迎，但仍然還不是內(nèi)核的默認(rèn)功能。如果采用devfs 文檔系統(tǒng)，那么就無需mknod 來生成特殊文件了。相反，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序軟件會(huì)使用直接的devfs 文檔系統(tǒng)接口在空閑時(shí)刻或者設(shè)備剛被初始化時(shí)生成特殊文件。
　　編程實(shí)例概述
　　為便于示范非標(biāo)準(zhǔn)嵌入式平臺(tái)的Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，本文將說明EP9312的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)情況。其中，EP9312 IDE設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是區(qū)塊設(shè)備， EP9312觸摸屏為字符設(shè)備，代碼中的高級(jí)API/硬件接口、初始化序列和應(yīng)用軟件編碼均將予以說明。

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