Linux驱动的软件架构（二）：设备驱动的分层思想-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了Linux驱动的软件架构（二）：设备驱动的分层思想。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

在Linux 2.6以后的设备驱动模型中，需关心总线、设备和驱动这3个实体，总线将设备和驱动绑定。在系统每注册一个设备的时候，会寻找与之匹配的驱动；相反的，在系统每注册一个驱动的时候，会寻找与之匹配的设备，而匹配由总线完成。

一个现实的Linux设备和驱动通常都需要挂接在一种总线上，对于本身依附于PCI、USB、I2C、SPI等的设备而言，这自然不是问题，但是在嵌入式系统里面，在SoC系统中集成的独立外设控制器、挂接在SoC内存空间的外设等却不依附于此类总线。

这一背景，Linux发明了一种虚拟的总线，称为platform总线，相应的设备称为platform_device，而驱动成为platform_driver。

注意：所谓的platform_device并不是与字符设备、块设备和网络设备并列的概念，而是Linux系统提供的一种附加手段，例如，我们通常把在SoC内部集成的I2C、RTC、LCD、看门狗等控制器都归纳为platform_device，而它们本身就是字符设备。platform_device结构体的定义如代码清单12.1所示。

不多扯废话，继续学习驱动的架构思想—内容来自宋老师的《Linux设备驱动开发详解》

1　设备驱动核心层和例化

在上一篇，我们已经从感性上认识了Linux驱动软件分层的意义。

其实，在分层设计的时候，Linux内核大量使用了面向对象的设计思想。

在面向对象的程序设计中，可以为某一类相似的事物定义一个基类，而具体的事物可以继承这个基类中的函数。

如果对于继承的这个事物而言，某成员函数的实现与基类一致，那它就可以直接继承基类的函数；相反，它也可以重写（Overriding），对父类的函数进行重新定义。

若子类中的方法与父类中的某方法具有相同的方法名、返回类型和参数表，则新方法将覆盖原有的方法。这种面向对象的“多态”设计思想极大地提高了代码的可重用能力，是对现实世界中事物之间关系的一种良好呈现。

Linux内核完全是由C语言和汇编语言写成，但是却频繁地用到了面向对象的设计思想。在设备驱动方面，往往为同类的设备设计了一个框架，而框架中的核心层则实现了该设备通用的一些功能。同样的，如果具体的设备不想使用核心层的函数，也可以重写。举个例子：

return_type core_funca(xxx_device * bottom_dev, param1_type param1, param1_type param2)
{
    if (bottom_dev->funca)
        return bottom_dev->funca(param1, param2);
    /* 核心层通用的funca代码 */
    ...
}

在上述core_funca的实现中，会检查底层设备是否重写了funca（），如果重写了，就调用底层的代码，否则，直接使用通用层的。这样做的好处是，核心层的代码可以处理绝大多数与该类设备的funca（）对应的功能，只有少数特殊设备需要重新实现funca（）。

再看一个例子：

return_type core_funca(xxx_device * bottom_dev, param1_type param1, param1_type param2)
{
     /*通用的步骤代码A */
     typea_dev_commonA();
     ...
     /* 底层操作ops1 */
     bottom_dev->funca_ops1();
     /*通用的步骤代码B */
     typea_dev_commonB();
     ...
     /* 底层操作ops2 */
     bottom_dev->funca_ops2();
     /*通用的步骤代码C */
     typea_dev_commonB();
     ...
     /** 底层操作ops3*/
     bottom_dev->funca_ops3();
}

上述代码假定为了实现funca（），对于同类设备而言，操作流程一致，都要经过“通用代码A、底层ops1、通用代码B、底层ops2、通用代码C、底层ops3”这几步，分层设计带来的明显好处是，对于通用代码A、B、C，具体的底层驱动不需要再实现，而仅仅只要关心其底层的操作ops1、ops2、ops3则可。（减少减轻冗余的工作量）

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这样的分层化设计在Linux的input、RTC、MTD、I2C、SPI、tty、USB等诸多类型设备驱动中屡见不鲜。下面的几小节以input、RTC、Framebuffer等为例先进行一番讲解，当然，后续的章节会对与几个大的设备类型对应的驱动层次进行更详细的分析。

（这个后面设备类型详解部分就等需要具体实现了再看吧）

2、设备-input、RTC、MTD、I2C、SPI、tty、USB

输入设备驱动

输入设备（如按键、键盘、触摸屏、鼠标等）是典型的字符设备，其一般的工作机理是底层在按键、触摸等动作发送时产生一个中断（或驱动通过Timer定时查询），然后CPU通过SPI、I2C或外部存储器总线读取键值、坐标等数据，并将它们放入一个缓冲区，字符设备驱动管理该缓冲区，而驱动的read（）接口让用户可以读取键值、坐标等数据。

显然，在这些工作中，只是中断、读键值/坐标值是与设备相关的，而输入事件的缓冲区管理以及字符设备驱动的file_operations接口则对输入设备是通用的。基于此，内核设计了输入子系统，由核心层处理公共的工作。Linux内核输入子系统的框架如图12.6所示。

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RTC设备驱动

**RTC（实时钟）借助电池供电，在系统掉电的情况下依然可以正常计时。**它通常还具有产生周期性中断以及闹钟（Alarm）中断的能力，是一种典型的字符设备。作为一种字符设备驱动，RTC需要有file_operations中接口函数的实现，如open（）、release（）、read（）、poll（）、ioctl（）等，而典型的IOCTL包括RTC_SET_TIME、RTC_ALM_READ、RTC_ALM_SET、RTC_IRQP_SET、RTC_IRQP_READ等，这些对于所有的RTC是通用的，只有底层的具体实现是与设备相关的。

因此，drivers/rtc/rtc-dev.c实现了RTC驱动通用的字符设备驱动层，它实现了file_opearations的成员函数以及一些通用的关于RTC的控制代码，并向底层导出rtc_device_register（）、rtc_device_unregister（）以注册和注销RTC；导出rtc_class_ops结构体以描述底层的RTC硬件操作。这个RTC通用层实现的结果是，底层的RTC驱动不再需要关心RTC作为字符设备驱动的具体实现，也无需关心一些通用的RTC控制逻辑，图12.7表明了这种关系。

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Framebuffer设备驱动

Framebuffer（帧缓冲）是Linux系统为显示设备提供的一个接口，它将显示缓冲区抽象，屏蔽图像硬件的底层差异，允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写操作。对于帧缓冲设备而言，只要在显示缓冲区中与显示点对应的区域内写入颜色值，对应的颜色会自动在屏幕上显示。

图12.8所示为Linux帧缓冲设备驱动的主要结构，帧缓冲设备提供给用户空间的file_operations结构体由drivers/video/fbdev/core/fbmem.c中的file_operations提供，而特定帧缓冲设备fb_info结构体的注册、注销以及其中成员的维护，尤其是fb_ops中成员函数的实现则由对应的xxxfb.c文件实现，fb_ops中的成员函数最终会操作LCD控制其硬件寄存器。
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多数显存的操作方法都是规范的，可以按照像素点格式的要求顺序写帧缓冲区。但是有少量LCD的显存写法可能比较特殊，这时候，在核心层drivers/video/fbdev/core/fbmem.c实现的fb_write（）中，实际上可以给底层提供一个重写自己的机会，

终端设备驱动

**在Linux系统中，终端是一种字符型设备，它有多种类型，通常使用tty（Teletype）来简称各种类型的终端设备。**对于嵌入式系统而言，最普遍采用的是UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）串行端口，日常生活中简称串口。

Linux内核中tty的层次结构如图12.9所示，它包含tty核心tty_io.c、tty线路规程n_tty.c（实现N_TTY线路规程）和tty驱动实例xxx_tty.c，tty线路规程的工作是以特殊的方式格式化从一个用户或者硬件收到的数据，这种格式化常常采用一个协议转换的形式。

tty_io.c本身是一个标准的字符设备驱动，它对上有字符设备的职责，实现file_operations成员函数。但是tty核心层对下又定义了tty_driver的架构，这样tty设备驱动的主体工作就变成了填充tty_driver结构体中的成员，实现其中的tty_operations的成员函数，而不再是去实现file_operations这一级的工作。

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misc设备驱动

由于Linux驱动倾向于分层设计，所以各个具体的设备都可以找到它归属的类型，从而套到它相应的架构里面去，并且只需要实现最底层的那一部分。（get到这个点没）

但是，也有部分类似globalmem、globalfifo的字符设备，确实不知道它属于什么类型，我们一般推荐大家采用miscdevice框架结构。miscdevice本质上也是字符设备，只是在miscdevice核心层的misc_init（）函数中，通过register_chrdev（MISC_MAJOR，“misc”，&misc_fops）注册了字符设备，而具体miscdevice实例调用misc_register（）的时候又自动完成了device_create（）、获取动态次设备号的动作。

miscdevice的主设备号是固定的，MISC_MAJOR定义为10，在Linux内核中，大概可以找到200多处使用miscdevice框架结构的驱动。