为多功能片上系统处理器编写 Linux 设备驱动程序

为多功能片上系统处理器编写 Linux 设备驱动程序

　引 言
　　编写 Linux 设备驱动程序无疑是一项复杂的工作。本文将集中介绍非标准硬件的设备驱动程序编写，探讨硬件应用编程接口，并借用 Cirrus Logic EP9312 片上系统嵌入式平台添加设备驱动程序这一案例来进行分析。
　　如果有些编程内容未能在本文中涉及，那么读者亦可以查阅相似的设备驱动程序编码，以做参考。还有一种方法，就是检索历史档案或者向 Linux 内核问讯中心去函问讯。
　　Linux 概述
　　Linux 是 UNIX 操作系统的翻版，1991 年由 Linus Torvalds 最先开发出来，并通过开放源代码开发模式不断得到开放源代码组织的改进。任何使用 Linux 的个人和团体都无需支付任何版权费用。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/8240.htm

　　只有内核还不够，通常Linux 与一些在内核上运行的视窗环境、视窗管理器和应用捆绑在一起。然而，由于具备了嵌入式平台，视窗环境并非必不可少。与微软的视窗操作系统不同的是，Linux 并不需要一套固定的、必须采用的应用软件或实用程序，因此能够十分符合嵌入式市场终端解决方案的客制化要求。
　　操作系统最基本的组成部分包括 1个资源管理器、1个调度程序、1个介于硬件和应用软件之间的接口、1个网络管理器和 1 个文档系统管理器。Linux操作系统也包括这些组成部分，当然还有其他部分。本文主要阐述介于硬件和应用软件之间的接口--设备驱动程序。
　　图1解释了用户应用软件、操作系统内核和硬件平台之间的区别。
　　设备驱动程序类型
　　设备驱动程序可分为2大类：硬件设备驱动程序和软件设备驱动程序。硬件设备驱动程序和物理硬件设备相连接，如UART设备或IDE设备，而软件设备驱动程序则作为低级数据结构间的接口，或硬件设备驱动程序和高级数据结构间的接口。图形控制台驱动程序就是一个软件设备驱动程序。其中，1个LCD控制器驱动程序装载并管理该显示器，同时图形控制台对即将显示的字符进行着色，并获取从键盘输入的信息。软件设备驱动程序的另一个例子是文档系统执行--文档系统驱动程序采用1个硬盘驱动程序存储数据，而该硬盘驱动程序直接与物理硬盘相连接。
　　设备驱动程序的分类
　　Linux 设备驱动程序有几类：字符、区块、网络和其他。通常，驱动程序根据设备的访问方式分类。然而，也有些设备无法按照此类方式得到区分，因此被归到"其他类型"。字符设备包括那些使数据成为数据流的设备，可通过1个文档系统的特殊文件获得（文档系统的特殊文件将在后文中加以讨论）。鉴于字符设备的特性，该设备只能根据顺序访问数据，即无法往前或往后搜索数据。串行端口和音频设备都是这种类型。图2是Cirrus Logic的EP9312 片上系统结构图，其中Linux字符设备以绿色标出。
　　区块设备能够照管1个文档系统。该类设备和字符设备一样，也是通过文档系统特殊文件访问。但是，区块设备与文档设备的差异在于其可被随机访问。这意味着，应用软件可查找在该设备中的随机位置。硬盘驱动器和CD驱动器都是区块设备，它们内部的文件指针可以指向设备内部的任何位置，惟一的限制来自设备本身。当区块设备通过文档系统特殊文件访问时，该应用接口即同字符设备一样，只是与内核的接口有所差别而已。图2中的红色部分即为Cirrus Logic EP9312 片上系统结构中Linux区块设备。

　　网络接口设备既可以是硬件设备，也可以是软件设备。硬件设备如以太网卡，软件设备如低端网络协议堆栈（本文将此类接口视为软件设备）。中间件和协议堆栈有时会被看作是软件设备。网络接口设备是信息包数据的通信设备，一般拥有惟一名称，并且无法通过文档系统特殊文件访问。相反，它们只对内核网络堆栈开放。通常，用户级应用软件可访问内核网络堆栈，而不能访问网络接口设备。图2中的蓝色部分即为Cirrus Logic EP9312 片上系统结构中的Linux网络接口设备。
　　其他的设备驱动程序还包括数据总线驱动程序（USB, I2C, AMBA等）、 /proc 接口和视频驱动程序。这些类型的设备无法被归入以上的3个类型中，但仍然是与Linux内核接口的设备驱动程序。
　　文档系统特殊文件
　　文档系统特殊文件提供了从文档系统访问硬件设备的可行性。这些访问点使用mknod 命令在文档系统/dev 目录中生成。命令如下：
　　mknod <device name> <device type> <major number> <minor number>
　　其中， <device name> 是给予硬件设备的名称，如 /dev/hda1 是给予硬盘驱动器的通用名称。<device type> 是设备驱动程序的类型--字符（char）、区块等。<major number> 代表设备类别和与之相配的驱动程序。<minor number> 表示设备类别中的一个实例，并仅对设备驱动程序适用。例如，某个系统中同时采用2个硬盘驱动器，它们都具有同样的主要编号，使用同样的设备驱动软件，但是该设备驱动程序软件却会在内部根据次要编号区分这2个硬盘驱动器。
　　值得注意的是，并非所有的设备都执行特殊文件接口。如同本文前面已经提及的，网络设备驱动程序就不采用这种接口访问设备。
        这种情况下，在设备文档系统里，就会使用 devfs来获得文档设备特殊文件。devfs 目前广受欢迎，但仍然还不是内核的默认功能。如果采用devfs 文档系统，那么就无需mknod 来生成特殊文件了。相反，设备驱动程序软件会使用直接的devfs 文档系统接口在空闲时刻或者设备刚被初始化时生成特殊文件。
　　编程实例概述
　　为便于示范非标准嵌入式平台的Linux设备驱动程序，本文将说明EP9312的设备驱动程序实现情况。其中，EP9312 IDE设备驱动程序是区块设备， EP9312触摸屏为字符设备，代码中的高级API/硬件接口、初始化序列和应用软件编码均将予以说明。

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