Linux設備驅動的分層設計思想

1.1 設備驅動核心層和例化

在面向對象的程序設計中，能夠爲某一類類似的事物定義一個基類，而具體的事物能夠繼承這個基類中的函數。若是對於繼承的這個事物而言，其某函數的實 現與基類一致，那它就能夠直接繼承基類的函數；相反，它能夠重載之。這種面向對象的設計思想極大地提升了代碼的可重用能力，是對現實世界事物間關係的一種 良好呈現。

Linux內核徹底由C語言和彙編語言寫成，可是卻頻繁用到了面向對象的設計思想。在設備驅動方面，每每爲同類的設備設計了一個框架，而框架中的核 心層則實現了該設備通用的一些功能。一樣的，若是具體的設備不想使用核心層的函數，它能夠重載之。舉個例子：

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的實現中，會檢查底層設備是否重載了funca()，若是重載了，就調用底層的代碼，不然，直接使用通用層的。這樣作的好 處是，核心層的代碼能夠處理絕大多數該類設備的funca()對應的功能，只有少數特殊設備須要從新實現funca()。

再看一個例子：

return_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();

}

上述代碼假定爲了實現funca()，對於同類設備而言，操做流程一致，都要通過「通用代碼A、底層ops一、通用代碼B、底層ops二、通用代碼 C、底層ops3」這幾步，分層設計明顯帶來的好處是，對於通用代碼A、B、C，具體的底層驅動不須要再實現，而僅僅只關心其底層的操做ops一、 ops二、ops3。

圖1明確反映了設備驅動的核心層與具體設備驅動的關係，實際上，這種分層可能只有2層（圖1的a），也多是多層的（圖1的b）。

圖1 Linux設備驅動的分層

這樣的分層化設計在Linux的input、RTC、MTD、I ² C、SPI、TTY、USB等諸多設備驅動類型中家常便飯。下面的2節以input和RTC爲例先行進行一番說明，固然，後續的章節會對幾個大的設備類型 對應驅動的層次進行更詳細的分析。

1.2 輸入設備驅動

輸入設備（如按鍵、鍵盤、觸摸屏、鼠標等）是典型的字符設備，其通常的工做機理是底層在按鍵、觸摸等動做發送時產生一箇中斷（或驅動經過timer 定時查詢），而後CPU經過SPI、I ² C或外部存儲器總線讀取鍵值、座標等數據，放入1個緩衝區，字符設備驅動管理該緩衝區，而驅動的read()接口讓用戶能夠讀取鍵值、座標等數據。

顯然，在這些工做中，只是中斷、讀值是設備相關的，而輸入事件的緩衝區管理以及字符設備驅動的file_operations接口則對輸入設備是通 用的。基於此，內核設計了輸入子系統，由核心層處理公共的工做。Linux內核輸入子系統的框架如圖2所示。

圖2 Linux輸入設備驅動的分層

輸入核心提供了底層輸入設備驅動程序所需的API，如分配/釋放一個輸入設備：

struct input_dev *input_allocate_device(void);

void input_free_device(struct input_dev *dev);

input_allocate_device()返回的是1個input_dev的結構體，此結構體用於表徵1個輸入設備。

註冊/註銷輸入設備用的以下接口：

int __must_check input_register_device(struct input_dev *);

void input_unregister_device(struct input_dev *);

報告輸入事件用的以下接口：

/* 報告指定type、code的輸入事件 */

void input_event(struct input_dev *dev, unsigned int type, unsigned int code, int value);

/* 報告鍵值 */

void input_report_key(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value);

/* 報告相對座標 */

void input_report_rel(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value);

/* 報告絕對座標 */

void input_report_abs(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value);

/* 報告同步事件 */

void input_sync(struct input_dev *dev);

而全部的輸入事件，內核都用統一的數據結構來描述，這個數據結構是input_event，形如代碼清單7。

代碼清單7 input_event結構體

1 struct input_event {

2 struct timeval time;

3 __u16 type;

4 __u16 code;

5 __s32 value;

6 };

drivers/input/keyboard/gpio_keys.c基於input架構實現了一個通用的GPIO按鍵驅動。該驅動基於 platform_driver架構，名爲「gpio-keys」。它將硬件相關的信息（如使用的GPIO號，電平等）屏蔽在板文件 platform_device的platform_data中，所以該驅動可應用於各個處理器，具備良好的跨平臺性。代碼清單8列出了該驅動的 probe()函數。

代碼清單8 GPIO按鍵驅動的probe()函數

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 }

上述代碼的第12行分配了1個輸入設備，第20~27行初始化了該input_dev的一些屬性，第58行註冊了這個輸入設備。第31~56行則申 請了此GPIO按鍵設備須要的中斷號，並初始化了timer。第55行設置此輸入設備可告知的事情。

在註冊輸入設備後，底層輸入設備驅動的核心工做只剩下在按鍵、觸摸等人爲動做發生的時候，報告事件。代碼清單9列出了GPIO按鍵中斷髮生時的事件 報告代碼。

代碼清單9 GPIO按鍵中斷髮生時的事件報告

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行是報告鍵值，而第9行是1個同步事件，暗示前面報告的消息屬於1個消息組。譬如用戶在報告完X座標後，又報告Y座標，以後報告1個同步事件， 應用程序便可知道前面報告的X、Y這2個事件屬於1組，它會將2者聯合起來造成1個（X,Y）的座標。

代碼清單8第2行獲取platform_data，而platform_data其實是定義GPIO按鍵硬件信息的數組，第31行的for循環工 具這些信息申請GPIO並初始化中斷，對於LDD6140電路板而言，這些信息如代碼清單10。

代碼清單10 LDD6410開發板GPIO按鍵的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設備驅動

RTC（實時鐘）藉助電池供電，在系統掉電的狀況下依然能夠行走。它一般還具備產生週期中斷以及產生鬧鐘（alarm）中斷的能力，是一種典型的字 符設備。做爲一種字符設備驅動，RTC須要有file_operations中接口函數的實現，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，這些對於全部的RTC是通用的，只有底層的具體實現是設備相關的。

所以，drivers/rtc/rtc-dev.c實現了RTC驅動通用的字符設備驅動層，它實現了file_opearations的成員函數以 及一些關於RTC的通用的控制代碼，並向底層導出rtc_device_register()、rtc_device_unregister()用於註冊 和註銷RTC；導出rtc_class_ops結構體用於描述底層的RTC硬件操做。這一RTC通用層實現的結果是，底層的RTC驅動再也不須要關心RTC 做爲字符設備驅動的具體實現，也無需關心一些通用的RTC控制邏輯，圖3代表了這種關係。

圖3 Linux RTC設備驅動的分層

drivers/rtc/rtc-s3c.c實現了S3C6410的RTC驅動，其註冊RTC以及綁定的rtc_class_ops的代碼如代碼清 單11。

代碼清單11 S3C6410 RTC驅動的rtc_class_ops實例與RTC註冊

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 }