從需求的角度去理解嵌入式Linux：總線、設備和驅動

1、軟件、面向對象、軟件框架

軟件是爲了解決現實問題而產生的，面向對象的軟件思惟是解決廣泛現實問題的一種有效的抽象方法，而軟件框架指的是用面向對象的思惟去解決某種特定領域的問題而專門設計的一套行之有效的解決方案。

通常地，JAVA/C++編程反映面向對象的軟件思惟，而像Android Framework、Windows MFC和Linux的QT則表明應用層的軟件框架。前述應用框架要解決的問題包括應用消息處理、UI控件顯示和處理、資源管理等等。軟件框架帶來的好處就是對於解決某個領域問題，框架會幫你完成80%的開發工做量，而你只須要完成20%的開發工做量。

Linux平臺上的各個子系統，如設備驅動模型、input子系統、I2C總線、frame buffer驅動等等都屬於軟件框架，它是針對特定的硬件體系需求以面向對象的思惟去設計的一種軟件解決方案，並且已經通過長時間的多平臺驗證。嚴格意義上，將子系統納入軟件抽象組件會更加貼切，而軟件框架表現爲一組抽象組件及其組件實例之間的交互。軟件框架和軟件組件的特色都是解決特色領域問題，能夠高度重用設計。

Linux系統以C語言開發爲主，C語言在教科書上會被認爲是過程語言。事實上，面向對象只是一種軟件思惟，並不侷限於某種語言，只不過C++/JAVA在孃胎(編譯器)裏就已經獲得支持，而C語言經過struct數據結構和函數指針同樣能夠出色地完成面向對象抽象的工做。Linux系統絕對是利用C語言進行面向對象編程的開山鼻祖，到處洋溢着軟件藝術的光輝！

2、理解好軟件需求是學習好軟件框架的前提

對於學習着來講，軟件需求（即軟件要解決的問題）和軟件框架都已經存在。但學習者每每只關注軟件框架，由於學習的終極目標也是爲了掌握軟件框架並使用它來解決本身的問題。對於通常的知識傳播者來講（例如學校老師、機構培訓師；教科書或者網絡文獻），每每也是着重於解讀軟件框架的組成和原理。

事實上，對於一個代碼量有幾萬甚至幾十萬行代碼量的軟件框架，一開始接觸就學習原理和代碼並非好事。這種作法很像是試圖從軟件框架的學習理解中得出軟件需求，有太多的未知就接觸源碼，那理解過程會很是痛苦，每每會感到很是迷惑。

我認爲，深刻地理解好需求，再去理解軟件框架會事半功倍。

甚至，當達到必定的水平後，知道了需求，徹底能夠去猜想軟件框架的實現。

3、Linux系統的軟件需求

   對於軟件需求，最容易讓人聯想到的是一種具體的業務需求，如12306購票業務等等。Linux是一種操做系統，操做系統的軟件需求是什麼？操做系統是爲了給應用層提供良好的接口而進行總線設備驅動管理、內存管理、文件管理、進程管理等等。更多系統學習資料和內容以及方法加意義氣嗚嗚吧久零就易，總線設備驅動管理就是咱們今天要談的主題。Linux平臺有各類子系統、各類總線、各類驅動，Linux系統對它們的管理就是軟件框架的組成。咱們要理解好Linux已有的框架，就要清晰地知曉其解決的問題，也就是其管理了哪些硬件設備，這些硬件設備的特色是什麼，這些設備的訪問方式是什麼。

        能夠說，深刻地理解硬件體系是理解好Linux總線設備驅動框架的前提！從面向對象的角度，咱們要弄清楚，物理意義上的硬件是什麼，而對應的軟件對象是如何表述的。

        如下闡述會重點講述軟件需求，做爲之後分析框架的基礎。

4、總線、驅動、設備

1. 總線

總線表明着同類設備須要共同遵照的工做時序，不一樣的總線對於物理電平的要求是不同的，對於每一個比特的電平維持寬度也是不同，而總線上傳遞的命令也會有本身的格式約束。如I2C總線、USB總線、PCI總線等等。以I2C總線爲例，在同一組I2C總線上鏈接着不一樣的I2C設備。

 

2.設備

設備表明真實的、具體的物理器件，在軟件上用器件的獨特的參數屬性來表明該器件。如I2C總線上鏈接的I2C從設備都有一個標識本身的設備地址，由這個設備地址來肯定主設備發過來的命令是否該由它來響應。

 

3.驅動

        驅動表明着操做設備的方式和流程。對於應用來講，應用程序open打開設備後，接着就read訪問這個設備，驅動就是如何實現這個訪問的具體的過程。驅動主要包括兩部分，第一是經過對SOC的控制寄存器進行編程，按總線要求輸出時序和命令，成功地與外圍設備進行交互；第二是對第一步中獲得的數據進行處理，並嚮應用層提供特定格式的數據。

a.不一樣總線的設備的驅動過程是不同的，這個很容易理解，USB鼠標的驅動和I2C EEPROM的讀時序確定是不同的，訪問時序的產生和控制也是驅動的一部分。

b.同種總線不一樣設備類型的設備驅動也是不同的。如I2C電容屏設備，對於讀read來講就是在datasheet規定的地址上去讀觸摸點的X和Y座標，而I2C EEPROM的讀操做是讀取存儲的內容，兩種設備的datasheet是不同的，驅動天然是不同的。

c.同種總線的同類設備的設備驅動也多是不同的。例如對於觸摸屏，TSC2003只支持單點觸控，而FT5X06支持多點觸摸。在獲取觸控座標時，前者只須要得到一個點的數據就返回，然後者則須要先得到當前有幾個點的數據，而後再把全部點的座標都讀出來。

        在驅動的操做中，通常都會用到GPIO和中斷等硬件資源，如上圖的SDA和SCL會鏈接到SOC芯片的具體的兩個GPIO引腳，而I2C讀寫時通常都採用中斷控制的方式（查詢讀寫是否完成比較低效，浪費CPU）。若是咱們在驅動中直接針對具體的引腳來編程，那這個驅動的平臺可移植性就比較差，由於不一樣的產品設計可能引腳不同。因此，爲了提升驅動的可移植性，Linux把驅動要用到的GPIO和中斷等資源剝離給設備去管理。即在設備裏面包含其本身的設備屬性，還包括了其鏈接到SOC所用到的資源。而驅動重點關注操做的流程和方法。

 

4.再談總線

        第1點中談到的總線只是物理意義上的表述，總線就是在行業中制定出標準，明確規定時序的格式。咱們在第3點中談到，在軟件層面上，時序的產生和控制由驅動負責。那咱們要思考在軟件層面上，總線的職責是什麼？

        總線在軟件層面主要是負責管理設備和驅動。

a.設備要讓系統感知本身的存在，設備須要向總線註冊本身；一樣地，驅動要讓系統感知本身的存在，也須要向總線註冊本身。設備和總線在初始化時必需要明確本身是哪一種總線的，I2C設備和驅動不能向USB總線註冊吧。

b.多個設備和多個驅動都註冊到同一個總線上，那設備怎麼找到最適合本身的驅動呢，或者說驅動怎麼找到其所支持的設備呢？這個也是由總線負責，總線就像是一個紅娘，負責在設備和驅動中牽線。設備會向總線提出本身對驅動的條件（最簡單的也是最精確的就是指定對方的名字了），而驅動也會向總線告知本身可以支持的設備的條件（通常是型號ID等，最簡單的也能夠是設備的名字）。那設備在註冊的時候，總線就會遍歷註冊在它上面的驅動，找到最適合這個設備的驅動，而後填入設備的結構成員中；驅動註冊的時候，總線也會遍歷註冊在其之上的設備，找到其支持的設備（能夠是多個，驅動和設備的關係是1:N），並將設備填入驅動的支持列表中。咱們稱總線這個牽線的行爲是match。牽好線以後，設備和驅動之間的交互紅娘可無論了。

c.總線在匹配設備和驅動以後驅動要考慮一個這樣的問題，設備對應的軟件數據結構表明着靜態的信息，真實的物理設備此時是否正常還不必定，所以驅動須要探測這個設備是否正常。咱們稱這個行爲爲probe，至於如何探測，那是驅動才知道乾的事情，總線只管吩咐得了。因此咱們能夠猜想在總線的管理代碼中會有這樣的邏輯：

if(match(device, driver) == OK)

        driver->probe();