嵌入式Linux设备驱动开发之驱动分层/分离思想

我们在学习I2C、USB、SD驱动时,有没有发现一个共性,就是在驱动开发时,每个驱动都分层三部分,由上到下分别是:


1、XXX 设备驱动


2、XXX 核心层


3、XXX 主机控制器驱动


而需要我们编写的主要是设备驱动部分,主机控制器驱动部分也有少量编写,二者进行交互主要时由核心层提供的接口来实现;这样结构清晰,大大地有利于我们的驱动开发,这其中就是利用了Linux设备驱动开发中两个重要思想,下面来一一解析


一、设备驱动的分层思想


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:


copyreturn_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)。


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。


二、主机驱动和外设驱动分离思想


主机、外设驱动分离的意义


在Linux设备驱动框架的设计中,除了有分层设计实现以外,还有分隔的思想。举一个简单的例子,假设我们要通过SPI总线访问某外设,在这个访问过程中,要通过操作CPU XXX上的SPI控制器的寄存器来达到访问SPI外设YYY的目的,最简单的方法是:


copyreturn_type xxx_write_spi_yyy(…)


{xxx_write_spi_host_ctrl_reg(ctrl);


xxx_ write_spi_host_data_reg(buf);


while(!(xxx_spi_host_status_reg()&SPI_DATA_TRANSFER_DONE));…


}


如果按照这种方式来设计驱动,结果是对于任何一个SPI外设来讲,它的驱动代码都是CPU相关的。也就是说,当然用在CPU XXX上的时候,它访问XXX的SPI主机控制寄存器,当用在XXX1的时候,它访问XXX1的SPI主机控制寄存器:


return_type xxx1_write_spi_yyy(…)


{xxx1_write_spi_host_ctrl_reg(ctrl);


xxx1_ write_spi_host_data_reg(buf);


while(!(xxx1_spi_host_status_reg()&SPI_DATA_TRANSFER_DONE));…


}


这显然是不能接受的,因为这意味着外设YYY用在不同的CPU XXX和XXX1上的时候需要不同的驱动。那么,我们可以用如图的思想对主机控制器驱动和外设驱动进行分离。这样的结构是,外设a、b、c的驱动与主机控制器A、B、C的驱动不相关,主机控制器驱动不关心外设,而外设驱动也不关心主机,外设只是访问核心层的通用的API进行数据传输,主机和外设之间可以进行任意的组合。


如果我们不进行上图的主机和外设分离,外设a、b、c和主机A、B、C进行组合的时候,需要9个不同的驱动。设想一共有m个主机控制器,n个外设,分离的结果是需要m+n个驱动,不分离则需要m*n个驱动。


Linux SPI、I2C、USB、ASoC(ALSA SoC)等子系统都典型地利用了这种分离的设计思想。


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