Linux设备驱动的分层设计思想

1.1 设备驱动核心层和例化 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，其某函数的实 现与基类一致，那它就可以直接继承基类的函数；相反，它可以重载之。这种面向对象的设计思想极大地提高了代码的可重用能力，是对现实世界事物间关系的一种 良好呈现。 Linux内核完全由C语言和汇编语言写成，但是却频繁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，它可以重载之。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 */ ... } 上述core_funca的实现中，会检查底层设备是否重载了funca()，如果重载了，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 */ ... bottom_dev->funca_ops1(); /*通用的步骤代码B */ ... bottom_dev->funca_ops2(); /*通用的步骤代码C */ ... 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，分层设计明显带来的好处是，对于通用代码A、B、C，具体的底层驱动不需要再实现，而仅仅只关心其底层的操作ops1、 ops2、ops3。 图1明确反映了设备驱动的核心层与具体设备驱动的关系，实际上，这种分层可能只有2层（图1的a），也可能是多层的（图1的b）。

图1 Linux设备驱动的分层 这样的分层化设计在Linux的input、RTC、MTD、I2 C、SPI、TTY、USB等诸多设备驱动类型中屡见不鲜。下面的2节以input和RTC为例先行进行一番说明，当然，后续的章节会对几个大的设备类型 对应驱动的层次进行更详细的分析。 1.2 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、I2 C或外部存储器总线读取键值、坐标等数据，放入1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、读值是设备相关的，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2所示。

图2 Linux输入设备驱动的分层 输入核心提供了底层输入设备驱动程序所需的API，如分配/释放一个输入设备： struct input_dev *input_allocate_device(void); void input_free_device(struct input_dev *dev); input_allocate_device()返回的是1个input_dev的结构体，此结构体用于表征1个输入设备。 注册/注销输入设备用的如下接口： int __must_check input_register_device(struct input_dev *); void input_unregister_device(struct input_dev *); 报告输入事件用的如下接口： /* 报告指定type、code的输入事件 */ void input_event(struct input_dev *dev, unsigned int type, unsigned int code, int value); /* 报告键值 */ void input_report_key(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value); /* 报告相对坐标 */ void input_report_rel(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value); /* 报告绝对坐标 */ void input_report_abs(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value); /* 报告同步事件 */ void input_sync(struct input_dev *dev); 而所有的输入事件，内核都用统一的数据结构来描述，这个数据结构是input_event，形如代码清单7。 代码清单7 input_event结构体 1 struct input_event { 2 struct timeval time; 3 __u16 type; 4 __u16 code; 5 __s32 value; 6 }; drivers/input/keyboard/gpio_keys.c基于input架构实现了一个通用的GPIO按键驱动。该驱动基于 platform_driver架构，名为“gpio-keys”。它将硬件相关的信息（如使用的GPIO号，电平等）屏蔽在板文件 platform_device的platform_data中，因此该驱动可应用于各个处理器，具有良好的跨平台性。代码清单8列出了该驱动的 probe()函数。 代码清单8 GPIO按键驱动的probe()函数 1 static int __devinit gpio_keys_probe(struct platform_device *pdev) 2 { 3 struct gpio_keys_platform_data *pdata = pdev->dev.platform_data; 4 struct gpio_keys_drvdata *ddata; 5 struct input_dev *input; 6 int i, error; 7 int wakeup = 0; 8 9 ddata = kzalloc(sizeof(struct gpio_keys_drvdata) + 10 pdata->nbuttons * sizeof(struct gpio_button_data), 11 GFP_KERNEL); 12 input = input_allocate_device(); 13 if (!ddata || !input) { 14 error = -ENOMEM; 15 goto fail1; 16 } 17 18 platform_set_drvdata(pdev, ddata); 19 20 input->name = pdev->name; 21 input->phys = "gpio-keys/input0"; 22 input->dev.parent = &pdev->dev; 23 24 input->id.bustype = BUS_HOST; 25 input->id.vendor = 0x0001; 26 input->id.product = 0x0001; 27 input->id.version = 0x0100; 28 29 ddata->input = input; 30 31 for (i = 0; i < pdata->nbuttons; i++) { 32 struct gpio_keys_button *button = &pdata->buttons[i]; 33 struct gpio_button_data *bdata = &ddata->data[i]; 34 int irq; 35 unsigned int type = button->type ?: EV_KEY; 36 37 bdata->input = input; 38 bdata->button = button; 39 setup_timer(&bdata->timer, 40 gpio_check_button, (unsigned long)bdata); 41 42 ... 43 error = request_irq(irq, gpio_keys_isr, 44 IRQF_SAMPLE_RANDOM | IRQF_TRIGGER_RISING | 45 IRQF_TRIGGER_FALLING, 46 button->desc ? button->desc : "gpio_keys", 47 bdata); 48 if (error) { 49 ... 50 } 51 52 if (button->wakeup) 53 wakeup = 1; 54 55 input_set_capability(input, type, button->code); 56 } 57 58 error = input_register_device(input); 59 if (error) { 60 pr_err("gpio-keys: Unable to register input device, " 61 "error: %d/n", error); 62 goto fail2; 63 } 64 65 device_init_wakeup(&pdev->dev, wakeup); 66 67 return 0; 68 ... 69 } 上述代码的第12行分配了1个输入设备，第20~27行初始化了该input_dev的一些属性，第58行注册了这个输入设备。第31~56行则申 请了此GPIO按键设备需要的中断号，并初始化了timer。第55行设置此输入设备可告知的事情。 在注册输入设备后，底层输入设备驱动的核心工作只剩下在按键、触摸等人为动作发生的时候，报告事件。代码清单9列出了GPIO按键中断发生时的事件 报告代码。 代码清单9 GPIO按键中断发生时的事件报告 1 static void gpio_keys_report_event(struct gpio_button_data *bdata) 2 { 3 struct gpio_keys_button *button = bdata->button; 4 struct input_dev *input = bdata->input; 5 unsigned int type = button->type ?: EV_KEY; 6 int state = (gpio_get_value(button->gpio) ? 1 : 0) ^ button->active_low; 7 8 input_event(input, type, button->code, !!state); 9 input_sync(input); 10 } 11 12 static irqreturn_t gpio_keys_isr(int irq, void *dev_id) 13 { 14 struct gpio_button_data *bdata = dev_id; 15 struct gpio_keys_button *button = bdata->button; 16 17 BUG_ON(irq != gpio_to_irq(button->gpio)); 18 19 if (button->debounce_interval) 20 mod_timer(&bdata->timer, 21 jiffies + msecs_to_jiffies(button->debounce_interval)); 22 else 23 gpio_keys_report_event(bdata); 24 25 return IRQ_HANDLED; 26 } 第8行是报告键值，而第9行是1个同步事件，暗示前面报告的消息属于1个消息组。譬如用户在报告完X坐标后，又报告Y坐标，之后报告1个同步事件， 应用程序即可知道前面报告的X、Y这2个事件属于1组，它会将2者联合起来形成1个（X,Y）的坐标。 代码清单8第2行获取platform_data，而platform_data实际上是定义GPIO按键硬件信息的数组，第31行的for循环工 具这些信息申请GPIO并初始化中断，对于LDD6140电路板而言，这些信息如代码清单10。 代码清单10 LDD6410开发板GPIO按键的platform_data 1 static struct gpio_keys_button ldd6410_buttons[] = { 2 { 3 .gpio = S3C64XX_GPN(0), 4 .code = KEY_DOWN, 5 .desc = "Down", 6 .active_low = 1, 7 }, 8 { 9 .gpio = S3C64XX_GPN(1), 10 .code = KEY_ENTER, 11 .desc = "Enter", 12 .active_low = 1, 13 .wakeup = 1, 14 }, 15 { 16 .gpio = S3C64XX_GPN(2), 17 .code = KEY_HOME, 18 .desc = "Home", 19 .active_low = 1, 20 }, 21 { 22 .gpio = S3C64XX_GPN(3), 23 .code = KEY_POWER, 24 .desc = "Power", 25 .active_low = 1, 26 .wakeup = 1, 27 }, 28 { 29 .gpio = S3C64XX_GPN(4), 30 .code = KEY_TAB, 31 .desc = "Tab", 32 .active_low = 1, 33 }, 34 { 35 .gpio = S3C64XX_GPN(5), 36 .code = KEY_MENU, 37 .desc = "Menu", 38 .active_low = 1, 39 }, 40 }; 41 42 static struct gpio_keys_platform_data ldd6410_button_data = { 43 .buttons = ldd6410_buttons, 44 .nbuttons = ARRAY_SIZE(ldd6410_buttons), 45 }; 46 47 static struct platform_device ldd6410_device_button = { 48 .name = "gpio-keys", 49 .id = -1, 50 .dev = { 51 .platform_data = &ldd6410_button_data, 52 } 53 }; 1.3 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行走。它通常还具有产生周期中断以及产生闹钟（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 及一些关于RTC的通用的控制代码，并向底层导出rtc_device_register()、rtc_device_unregister()用于注册 和注销RTC；导出rtc_class_ops结构体用于描述底层的RTC硬件操作。这一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3表明了这种关系。

图3 Linux RTC设备驱动的分层 drivers/rtc/rtc-s3c.c实现了S3C6410的RTC驱动，其注册RTC以及绑定的rtc_class_ops的代码如代码清 单11。 代码清单11 S3C6410 RTC驱动的rtc_class_ops实例与RTC注册 1 static const struct rtc_class_ops s3c_rtcops = { 2 .open = s3c_rtc_open, 3 .release = s3c_rtc_release, 4 .ioctl = s3c_rtc_ioctl, 5 .read_time = s3c_rtc_gettime, 6 .set_time = s3c_rtc_settime, 7 .read_alarm = s3c_rtc_getalarm, 8 .set_alarm = s3c_rtc_setalarm, 9 .irq_set_freq = s3c_rtc_setfreq, 10 .irq_set_state = s3c_rtc_setpie, 11 .proc = s3c_rtc_proc, 12 }; 13 14 static int s3c_rtc_probe(struct platform_device *pdev) 15 { 16 ... 17 rtc = rtc_device_register("s3c", &pdev->dev, &s3c_rtcops, 18 THIS_MODULE); 19 ... 20 }本文出自 “Inside SW,FW and HW R&D” 博客，请务必保留此出处http://21cnbao.blog.51cto.com/109393/336263