嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)之驅(qū)動(dòng)分層/分離思想

我們?cè)趯W(xué)習(xí)I2C、USB、SD驅(qū)動(dòng)時(shí)，有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一個(gè)共性，就是在驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)時(shí)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)都分層三部分，由上到下分別是：

1、XXX 設(shè)備驅(qū)動(dòng)

2、XXX 核心層

3、XXX 主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)

而需要我們編寫(xiě)的主要是設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分，主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)部分也有少量編寫(xiě)，二者進(jìn)行交互主要時(shí)由核心層提供的接口來(lái)實(shí)現(xiàn);這樣結(jié)構(gòu)清晰，大大地有利于我們的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，這其中就是利用了Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中兩個(gè)重要思想，下面來(lái)一一解析

一、設(shè)備驅(qū)動(dòng)的分層思想

在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中，可以為某一類(lèi)相似的事物定義一個(gè)基類(lèi)，而具體的事物可以繼承這個(gè)基類(lèi)中的函數(shù)。如果對(duì)于繼承的這個(gè)事物而言，其某函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與基類(lèi)一致，那它就可以直接繼承基類(lèi)的函數(shù);相反，它可以重載之。這種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想極大地提高了代碼的可重用能力，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界事物間關(guān)系的一種良好呈現(xiàn)。

Linux內(nèi)核完全由C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言寫(xiě)成，但是卻頻繁用到了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)方面，往往為同類(lèi)的設(shè)備設(shè)計(jì)了一個(gè)框架，而框架中的核心層則實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備通用的一些功能。同樣的，如果具體的設(shè)備不想使用核心層的函數(shù)，它可以重載之。舉個(gè)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);

/* 核心層通用的funca代碼 */

...

}

上述core_funca的實(shí)現(xiàn)中，會(huì)檢查底層設(shè)備是否重載了funca()，如果重載了，就調(diào)用底層的代碼，否則，直接使用通用層的。這樣做的好處是，核心層的代碼可以處理絕大多數(shù)該類(lèi)設(shè)備的funca()對(duì)應(yīng)的功能，只有少數(shù)特殊設(shè)備需要重新實(shí)現(xiàn)funca()。

再看一個(gè)例子：

copyreturn_type core_funca(xxx_device * bottom_dev, param1_type param1, param1_type param2)

{

/*通用的步驟代碼A */

...

bottom_dev->funca_ops1();

/*通用的步驟代碼B */

...

bottom_dev->funca_ops2();

/*通用的步驟代碼C */

...

bottom_dev->funca_ops3();

}

上述代碼假定為了實(shí)現(xiàn)funca()，對(duì)于同類(lèi)設(shè)備而言，操作流程一致，都要經(jīng)過(guò)“通用代碼A、底層ops1、通用代碼B、底層ops2、通用代碼C、底層ops3”這幾步，分層設(shè)計(jì)明顯帶來(lái)的好處是，對(duì)于通用代碼A、B、C，具體的底層驅(qū)動(dòng)不需要再實(shí)現(xiàn)，而僅僅只關(guān)心其底層的操作ops1、ops2、ops3。圖1明確反映了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的核心層與具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)的關(guān)系，實(shí)際上，這種分層可能只有2層(圖1的a)，也可能是多層的(圖1的b)。

這樣的分層化設(shè)計(jì)在Linux的input、RTC、MTD、I2 C、SPI、TTY、USB等諸多設(shè)備驅(qū)動(dòng)類(lèi)型中屢見(jiàn)不鮮。

二、主機(jī)驅(qū)動(dòng)和外設(shè)驅(qū)動(dòng)分離思想

主機(jī)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)分離的意義

在Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架的設(shè)計(jì)中，除了有分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以外，還有分隔的思想。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，假設(shè)我們要通過(guò)SPI總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)某外設(shè)，在這個(gè)訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程中，要通過(guò)操作CPU XXX上的SPI控制器的寄存器來(lái)達(dá)到訪(fǎng)問(wèn)SPI外設(shè)YYY的目的，最簡(jiǎn)單的方法是：

copyreturn_type xxx_write_spi_yyy(...)

{

xxx_write_spi_host_ctrl_reg(ctrl);

xxx_ write_spi_host_data_reg(buf);

while(!(xxx_spi_host_status_reg()&SPI_DATA_TRANSFER_DONE));

...

}

如果按照這種方式來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，結(jié)果是對(duì)于任何一個(gè)SPI外設(shè)來(lái)講，它的驅(qū)動(dòng)代碼都是CPU相關(guān)的。也就是說(shuō)，當(dāng)然用在CPU XXX上的時(shí)候，它訪(fǎng)問(wèn)XXX的SPI主機(jī)控制寄存器，當(dāng)用在XXX1的時(shí)候，它訪(fǎng)問(wèn)XXX1的SPI主機(jī)控制寄存器：

return_type xxx1_write_spi_yyy(...)

{

xxx1_write_spi_host_ctrl_reg(ctrl);

xxx1_ write_spi_host_data_reg(buf);

while(!(xxx1_spi_host_status_reg()&SPI_DATA_TRANSFER_DONE));

...

}

這顯然是不能接受的，因?yàn)檫@意味著外設(shè)YYY用在不同的CPU XXX和XXX1上的時(shí)候需要不同的驅(qū)動(dòng)。那么，我們可以用如圖的思想對(duì)主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)和外設(shè)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行分離。這樣的結(jié)構(gòu)是，外設(shè)a、b、c的驅(qū)動(dòng)與主機(jī)控制器A、B、C的驅(qū)動(dòng)不相關(guān)，主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)不關(guān)心外設(shè)，而外設(shè)驅(qū)動(dòng)也不關(guān)心主機(jī)，外設(shè)只是訪(fǎng)問(wèn)核心層的通用的API進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)和外設(shè)之間可以進(jìn)行任意的組合。

如果我們不進(jìn)行上圖的主機(jī)和外設(shè)分離，外設(shè)a、b、c和主機(jī)A、B、C進(jìn)行組合的時(shí)候，需要9個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)。設(shè)想一共有m個(gè)主機(jī)控制器，n個(gè)外設(shè)，分離的結(jié)果是需要m+n個(gè)驅(qū)動(dòng)，不分離則需要m*n個(gè)驅(qū)動(dòng)。

Linux SPI、I2C、USB、ASoC(ALSA SoC)等子系統(tǒng)都典型地利用了這種分離的設(shè)計(jì)思想。