戴明華，李長云，曾志浩，崔海燕

(湖南工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與通信學(xué)院，湖南 株洲 412008)

嵌入式Linux驅(qū)動程序框架研究綜述＊

戴明華，李長云，曾志浩，崔海燕

(湖南工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與通信學(xué)院，湖南 株洲 412008)

嵌入式Linux的驅(qū)動框架能縮短開發(fā)周期，因此構(gòu)建框架對驅(qū)動開發(fā)有著很重要的意義.介紹了目前驅(qū)動研究現(xiàn)狀，闡述了構(gòu)建嵌入式Linux驅(qū)動框架的方式并進(jìn)行了評價，探析了未來基于Linux內(nèi)核的Android操作系統(tǒng)的驅(qū)動框架實現(xiàn).

嵌入式驅(qū)動框架;Android驅(qū)動;實現(xiàn)方法;可移植

以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)，能運(yùn)行于各種不同體系結(jié)構(gòu)的微處理器上，兼容性好，內(nèi)核體積小，效率比較高，具有高度的模塊化和可擴(kuò)展性.對設(shè)備的支持需要相應(yīng)的驅(qū)動程序.嵌入式 Linux是以Linux為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)，在原來的Linux基礎(chǔ)上裁剪而成的精簡的操作系統(tǒng)，它被廣泛應(yīng)用在移動電話、機(jī)頂盒、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程通信、醫(yī)療電子、交通運(yùn)輸計算機(jī)外設(shè)、工業(yè)控制、媒體播放器、消費(fèi)性電子產(chǎn)品以及航空航天等領(lǐng)域中.目前，嵌入式Linux開發(fā)主要集中在設(shè)備驅(qū)動開發(fā)上;在嵌入式Linux中，驅(qū)動占有內(nèi)核代碼的70%以上，驅(qū)動開發(fā)的質(zhì)量關(guān)系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定［1］，大多數(shù)驅(qū)動沒有標(biāo)準(zhǔn)化，在移植的時候，驅(qū)動代碼一般由硬件制造者而不是專業(yè)內(nèi)核編程者編寫.由于Linux驅(qū)動和內(nèi)核共享地址空間等原因造成移植開發(fā)的驅(qū)動穩(wěn)定性不夠［2］，為了更快且較穩(wěn)定地開發(fā)驅(qū)動，建立驅(qū)動框架來減少開發(fā)周期和增強(qiáng)穩(wěn)定性就很有研究價值.本文非常全面地介紹了嵌入式驅(qū)動程序框架，分析優(yōu)點的同時也對框架存在的問題和未來研究方向提出了我們的觀點.

1 嵌入式Linux驅(qū)動程序研究現(xiàn)狀

1.1 嵌入式Linux相關(guān)概念

嵌入式Linux驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口，連接硬件設(shè)備和文件系統(tǒng)，是硬件的一部分特殊響應(yīng)定義好的內(nèi)部編程接口.硬件設(shè)備在Linux看來只是一個設(shè)備文件，這些文件一般稱作設(shè)備文件，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作.嵌入式Linux系統(tǒng)的驅(qū)動程序分為字符設(shè)備驅(qū)動、塊設(shè)備驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動三種，字符設(shè)備是指存取時沒有緩存的設(shè)備;塊設(shè)備的讀寫都有緩存來支持，并且塊設(shè)備必須能夠隨機(jī)存取.典型的字符設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、串行口、音頻設(shè)備等.塊設(shè)備主要包括硬盤軟盤設(shè)備、CD－ROM以及各種flash等.

1.2 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動程序的編寫

設(shè)備驅(qū)動是作為文件系統(tǒng)的一個模塊存在的，它既負(fù)責(zé)和硬件的交互，同時通過掛載在文件系統(tǒng)上和內(nèi)核聯(lián)系起來.

驅(qū)動程序的構(gòu)成主要包括三個重要部分［3］:1)初始化.在靜態(tài)鏈接驅(qū)動中由__init修飾的函數(shù)和在可加載驅(qū)動中用入口點函數(shù)init_module()對驅(qū)動進(jìn)行初始化，初始化包括硬件相關(guān)參數(shù)、申請內(nèi)存、注冊.2)獨(dú)立的設(shè)備的接口.該接口由struct file_operations這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_operations聯(lián)系起來.這個結(jié)構(gòu)的每一個成員的名字都對應(yīng)著一個系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序.3)硬件相關(guān)部分.這一部分和硬件直接相關(guān)，包括I/O服務(wù)和中斷服務(wù).

這是Linux的設(shè)備驅(qū)動程序編寫工作的基本原理.因此設(shè)備驅(qū)動程序的實現(xiàn)首先要初始化，然后實現(xiàn)file_operations的各個域，最后靜態(tài)鏈接或動態(tài)加載驅(qū)動程序.

1.3 嵌入式Linux框架的實現(xiàn)方式

框架的方式一種是從驅(qū)動開發(fā)的角度，從同類型設(shè)備中找出相似點，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口函數(shù)、注冊與注銷函數(shù)、中斷的申請與釋放函數(shù)，使用模塊化編程思想.

另一種是從面向?qū)ο蟮慕嵌龋?qū)動中建立可重用的類庫，用來封裝常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，將程序的加載、初始化、卸載等相關(guān)流程進(jìn)行封裝管理［4］.

2 嵌入式Linux驅(qū)動程序框架實現(xiàn)方法

從能否動態(tài)加載的角度看，Linux中的驅(qū)動程序可分為可動態(tài)加載和卸載的內(nèi)核模塊和靜態(tài)鏈接的內(nèi)核，而根據(jù)Linux對驅(qū)動的管理方式則可以把驅(qū)動分為字符驅(qū)動、塊設(shè)備驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動，應(yīng)用程序?qū)ψ址O(shè)備的每一個I/O操作，都會傳遞給系統(tǒng)內(nèi)核對應(yīng)的驅(qū)動程序，而對于塊設(shè)備的操作，要經(jīng)過系統(tǒng)的緩沖區(qū)管理，間接傳遞給驅(qū)動程序處理.網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動則是基于BSD UNIX的套接字機(jī)制，在系統(tǒng)和驅(qū)動程序之間定義有專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)提供流量控制機(jī)制和多協(xié)議支持.可見字符設(shè)備，塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所用的驅(qū)動差別很大，因此在構(gòu)建驅(qū)動框架的時候分類型構(gòu)建框架更加容易找到通性.

2.1 字符框架

字符設(shè)備驅(qū)動程序是最基本、最常用的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)，只要是不掛載文件系統(tǒng)的設(shè)備，都可以用字符設(shè)備去描述.

一個字符設(shè)備是一種可以當(dāng)作一個字節(jié)流來存取的設(shè)備就如同一個文件，這樣的驅(qū)動常常實現(xiàn)常用的系統(tǒng)調(diào)用，串口是最為常見的字符設(shè)備，它很好地展現(xiàn)了字節(jié)流的抽象.字符設(shè)備通過文件系統(tǒng)結(jié)點來存取，相對于可以隨機(jī)存取普通文件，字符設(shè)備僅僅是數(shù)據(jù)通道，因此只能順序存取.

文獻(xiàn)［5］給出嵌入式設(shè)備驅(qū)動驅(qū)動程序的共性，包括:讀、寫、中斷、時鐘.實現(xiàn)嵌入式設(shè)備驅(qū)動流程，總結(jié)了傳統(tǒng)驅(qū)動基本組成部分:模塊初始化函數(shù);模塊卸載函數(shù);設(shè)備驅(qū)動程序接口，李健等人［6］在基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的驅(qū)動框架中通過屏蔽底層硬件處理器、規(guī)范總線接口、抽象設(shè)備訪問接口，結(jié)合設(shè)備驅(qū)動表、設(shè)備表、文件描述符表、總線驅(qū)動支持、設(shè)備中斷處理機(jī)制給出設(shè)備驅(qū)動基本框架.該驅(qū)動框架包括1、I/O標(biāo)準(zhǔn)接口2、文件描述符管理3、設(shè)備表、驅(qū)動表4、文件系統(tǒng)管理5、通信協(xié)議層6、協(xié)議適配層7、底層驅(qū)動層8、實時操作系統(tǒng)支持接口.該框架支持了目前主流的總線及設(shè)備，支持集成了傳統(tǒng)I/O系統(tǒng)的文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等模塊，能夠支持各種設(shè)備，又能使各子系統(tǒng)信息互通，增強(qiáng)了可移植性.

文獻(xiàn)［4］從代碼的可重用的角度出發(fā)，用面向?qū)ο蟮姆椒?，封裝對驅(qū)動生命周期和行為管理的驅(qū)動框架，將C++語言引入到內(nèi)核中，加速了開發(fā)速度，該方法改變了傳統(tǒng)上使用c語言開發(fā)內(nèi)核，使用c++來實現(xiàn)驅(qū)動與內(nèi)核的兼容，內(nèi)核能對c++編碼的驅(qū)動進(jìn)行加載卸載，同時，c++的繼承等重要特性依然保留在驅(qū)動程序中.

在字符程序的框架中，按照代碼的框架來寫只適合用來開發(fā)比較簡單的驅(qū)動，在復(fù)雜驅(qū)動的開發(fā)中，至少要使用文獻(xiàn)［6］中的框架或者用可重用的面向?qū)ο蟮姆椒ǎ拍懿会槍γ恳粋€具體的硬件作出大范圍的修改，硬件開發(fā)者也不需要了解太多關(guān)于硬件的細(xì)節(jié)也可進(jìn)行驅(qū)動的開發(fā).

2.2 塊設(shè)備框架

關(guān)于塊設(shè)備驅(qū)動的研究甚少，主要由于有部分塊設(shè)備驅(qū)動可以用字符驅(qū)動形式來開發(fā)，如PCI、LCD等.

在塊設(shè)備中比較典型的有flash，它由于芯片的存儲布局以及存儲操作與字符型完全不同，不能按照字符型設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行開發(fā).以flash為例，驅(qū)動主要功能包括［7］:初始化、用接口函數(shù)和內(nèi)核函數(shù)完成內(nèi)核與用戶之間的數(shù)據(jù)交換以及檢測設(shè)備錯誤信息.塊設(shè)備都以塊作為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，要構(gòu)建緩存來存放臨時數(shù)據(jù)，塊設(shè)備中大容量的數(shù)據(jù)使得糾錯機(jī)制成為塊設(shè)備驅(qū)動不可忽視的一部分［8］.

2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備框架

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與字符與塊這兩種I/O驅(qū)動完全不同，在Linux里有專門的處理機(jī)制.Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSD unix的socket機(jī)制.系統(tǒng)支持對發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩存，提供流量控制機(jī)制，提供對多協(xié)議的支持.文獻(xiàn)［9］中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)可以分為四個層次，即協(xié)議接口、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口、驅(qū)動功能層、網(wǎng)絡(luò)媒介，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被抽象為一個接口，是一個對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作集合.如下圖:

圖1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)圖

從Linux的結(jié)構(gòu)來看，Linux所有網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序都使用了通用的接口，每個設(shè)備都有自己的數(shù)據(jù)和方法，對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備程序，由于Linux網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)本來有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，提供實際功能的功能層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備媒介，因此在網(wǎng)絡(luò)框架上都是在原來的基礎(chǔ)上略加改進(jìn).

3 總結(jié)與展望

從Linux的出現(xiàn)到學(xué)者開始在Linux架構(gòu)的基礎(chǔ)上開始驅(qū)動的改進(jìn)和驅(qū)動新框架的提出，Linux的三大類驅(qū)動都產(chǎn)生了新的開發(fā)方式.

本文介紹了驅(qū)動的相關(guān)概念，闡述了驅(qū)動的構(gòu)成，同時從諸多文獻(xiàn)實現(xiàn)框架的方式中，綜合了各種類型驅(qū)動的框架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了相應(yīng)評價.現(xiàn)在基于Linux內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)正在興起，這些操作系統(tǒng)下的驅(qū)動有著和Linux相似之處.因此，Linux驅(qū)動框架的研究能夠推動其它如Android嵌入式操作系統(tǒng)驅(qū)動框架的研究.

Android內(nèi)核是在標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的基礎(chǔ)上修改而成的且適應(yīng)嵌入式硬件環(huán)境.Android驅(qū)動框架的形成增強(qiáng)了可移植性，提高了效率.由于這是在底層開發(fā)，因此在框架構(gòu)建和可移植性上，主要有以下兩個需要了解:

Android不同于Linux主要體現(xiàn)在沒有使用Linux的C庫——glibc，增加了模擬CPU和文件系統(tǒng).在驅(qū)動支持方面，既開發(fā)了基于OpenBinder框架的Android Binder驅(qū)動，還擁有電源管理、低內(nèi)存匿名共享、連續(xù)物理內(nèi)存等專有驅(qū)動.在Android系統(tǒng)中，需要有基本的屏幕、觸摸屏、鍵盤等驅(qū)動程序，以及音頻、攝像頭、Event、電話的 Modem、Wifi、藍(lán)牙等多種設(shè)備驅(qū)動程序.當(dāng)進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)時，可移植性是要重點考慮的問題.良好的軟件移植性應(yīng)該比較好，減少與外圍設(shè)備的相關(guān)性.軟件的通用性和軟件的性能通常是矛盾的.Linux驅(qū)動研究比較充分，而以Linux為內(nèi)核的其它操作系統(tǒng)開始發(fā)展，因此研究應(yīng)以Linux驅(qū)動框架的研究為基礎(chǔ).

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TP311

A

1008－4681(2012)02－0052－02

2011－12－06

戴明華(1985－)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，湖南工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與通信學(xué)院碩士生.研究方向:可信軟件.

(責(zé)任編校:晴川)