一、設(shè)備驅(qū)動(dòng)的分層與分離
相信經(jīng)過(guò)前面對(duì)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)、雜項(xiàng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和輸入子系統(tǒng)的介紹，大家對(duì)Linux系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)已經(jīng)基本算是入門了。可是我們發(fā)現(xiàn)，掌握這些知識(shí)之后，還不足以支撐我們?nèi)シ治鯨CD、UART、USB等Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)。原因主要有如下兩點(diǎn)：
- 內(nèi)核中大量的使用了同步、互斥機(jī)制，以及內(nèi)核提供的編程接口；
- LCD、UART、USB都有自己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架，而且都使用了平臺(tái)設(shè)備驅(qū)動(dòng)；
針對(duì)第一點(diǎn)，大家可以去看看宋寶華的《Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解》的3、4、7、8、9、10、11章節(jié)的內(nèi)容，里面大部分知識(shí)在字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)中大量的使用，學(xué)好這些基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)閱讀Linux內(nèi)核源代碼也是非常的有幫助的。
針對(duì)第二點(diǎn)，就是本文介紹的重點(diǎn)內(nèi)容，希望能帶給廣大閱讀者、技術(shù)宅帶來(lái)幫助。
在開始介紹platform之前，首先來(lái)介紹一下Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的分層和分離的思想，便于大家理解Linux內(nèi)核中的設(shè)備、總線啊、驅(qū)動(dòng)模型，從而更加清晰的認(rèn)識(shí)到Linux內(nèi)核引入platform的重要作用和意義。
1.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的分層思想
在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中，可以為某一類相似的事物定義一個(gè)基類，而具體的事物可以繼承這個(gè)基類中的函數(shù)。如果對(duì)于繼承的這個(gè)事物而言，其某成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與基類一致，那它就可以直接繼承基類的函數(shù)；相反，它也可以重載之。這種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想極大地提高了代碼的可重用能力，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界事物間關(guān)系的一種良好呈現(xiàn)。
Linux內(nèi)核完全由C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言寫成，但是卻頻繁用到了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)方面，往往為同類的設(shè)備設(shè)計(jì)了一個(gè)框架，而框架中的核心層則實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備通用的一些功能。同樣的，如果具體的設(shè)備不想使用核心層的函數(shù)，它也可以重載之。舉個(gè)例子：
return_type core_funca(xxx_device *bottom_dev, paraml_type param1, paraml_type param2)
{
if(bottom_dev->funca)
return bottom_dev->funca(param1, param2); //調(diào)用重載代碼
/* 核心通用的funca代碼 */
. . . . . .
}
上述core_funca的實(shí)現(xiàn)中，會(huì)檢查底層設(shè)備是否重載了funca()，如果重載了，就調(diào)用底層的代碼，否則就直接使用通用層代碼。這樣做的好處是：核心層的代碼可以處理絕大多數(shù)該類設(shè)備的funca()對(duì)應(yīng)的功能，只有少數(shù)特殊設(shè)備需要重新實(shí)現(xiàn)funca()。
下面再來(lái)看一個(gè)例子：
return_type core_funca(xxx_device *bottom_dev, paraml_type param1, paraml_type param2)
{
/* 通用步驟代碼A */
typea_dev_commonA();
. . . . . .
/* 底層操作ops1 */
bottom_dev->funca_ops1()
. . . . . .
/* 通用步驟代碼B */
typea_dev_commonB();
. . . . . .
/* 底層操作ops2 */
bottom_dev->funca_ops2()
. . . . . .
/* 通用步驟代碼C */
typea_dev_commonB();
. . . . . .
/* 底層操作ops3 */
bottom_dev->funca_ops3()
. . . . . .
}
上述代碼假定為了實(shí)現(xiàn)funca()，對(duì)于同類設(shè)備而言，其操作流程是一致的，都要經(jīng)過(guò)“通用代碼A、底層ops1、通用代碼B、底層ops2、通用代碼C、底層ops3”這幾步，分層設(shè)計(jì)明顯帶來(lái)的好處是：對(duì)于通用代碼A、B、C，具體的底層驅(qū)動(dòng)不需要再實(shí)現(xiàn)，而僅僅只關(guān)心其底層的操作ops1、ops2和ops3。
圖1.1中明確反映了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的核心層與具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)的關(guān)系，實(shí)際上，這種分層可能只有兩層，也可能是多層的。
圖1.1 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的分層設(shè)計(jì)思想
這樣的分層化的設(shè)計(jì)在Linux的input、RTC、MTD、I2C、SPI、TTY、USB等諸多設(shè)備驅(qū)動(dòng)類型中屢見不鮮。針對(duì)input，前面我們已經(jīng)介紹了，接下來(lái)本文將介紹platform，后續(xù)還將持續(xù)更新RTC、I2C、SPI、LCD、USB等設(shè)備驅(qū)動(dòng)詳細(xì)分析，歡迎大家訂閱。
1.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的分離思想
在Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架的設(shè)計(jì)中，除了有分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以外，還有分離的思想。這里所謂的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的分離思想，實(shí)際上是指主機(jī)驅(qū)動(dòng)與外設(shè)驅(qū)動(dòng)分離的思想。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，假設(shè)我們要通過(guò)SPI總線訪問(wèn)某個(gè)外設(shè)，在這個(gè)訪問(wèn)過(guò)程中，要通過(guò)操作CPU_xxx上的SPI控制器的寄存器來(lái)達(dá)到訪問(wèn)SPI外設(shè)YYY的目的，最簡(jiǎn)單的方法是：
return_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));
. . .
}
如果按照這種方式來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，結(jié)果是對(duì)于任何一個(gè)SPI外設(shè)來(lái)講，它的驅(qū)動(dòng)代碼都是CPU相關(guān)的。也就是說(shuō)，當(dāng)用在CPU_xxx上的時(shí)候，它訪問(wèn)CPU_xxx的SPI主機(jī)控制寄存器，當(dāng)用在CPU_xxx1的時(shí)候，它訪問(wèn)CPU_xxx1的SPI主機(jī)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));
. . .
}
這樣顯然是不能接受的，因?yàn)檫@意味著外設(shè)YYY用在不同的CPU_xxx和CPU_xxx1上的時(shí)候需要不同的驅(qū)動(dòng)。那么，我們可以用圖1.2所示的思想對(duì)主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)和外設(shè)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行分離。這樣的結(jié)果是：外設(shè)a、b、c的驅(qū)動(dòng)與主機(jī)控制器A、B、C的驅(qū)動(dòng)不想關(guān)，主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)不關(guān)心外設(shè)，而外設(shè)驅(qū)動(dòng)也不關(guān)心主機(jī)，外設(shè)只是訪問(wèn)核心層通用的API進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)和外設(shè)之間可以進(jìn)行任意的組合。
圖1.2 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的主機(jī)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)分離的思想
如果我們不進(jìn)行圖1.2所示的主機(jī)和外設(shè)分離，那么外設(shè)a、b、c和主機(jī)A、B、C進(jìn)行組合的時(shí)候，就需要9個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)。設(shè)想一共有m個(gè)主機(jī)控制器i，n個(gè)外設(shè)，分離的結(jié)果是需要m+n個(gè)驅(qū)動(dòng)，不分離則需要m*n個(gè)驅(qū)動(dòng)。
這樣的分離的設(shè)計(jì)在Linux的I2C、SPI、USB等諸多設(shè)備驅(qū)動(dòng)類型中也屢見不鮮。但是其基礎(chǔ)和核心還是設(shè)備、總線、驅(qū)動(dòng)模型。后續(xù)將對(duì)I2C、SPI、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)分析。
Linux設(shè)備分層與分離的思想，對(duì)應(yīng)到Linux內(nèi)核就是device、bus、driver驅(qū)動(dòng)模型，這也是Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的核心內(nèi)容。與此相關(guān)的內(nèi)容，可見《深入Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)核機(jī)制》第9章 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型，其中還詳細(xì)介紹了kobject和kset結(jié)構(gòu)體。
二、平臺(tái)設(shè)備驅(qū)動(dòng)概述
在理解了Linux內(nèi)核中的分層與分離思想以后，接下來(lái)咱們開始拿內(nèi)核中具體的device、bus、driver設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型的實(shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解。由于在Linux的各種類型驅(qū)動(dòng)中，很多設(shè)備都使用到了platform設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型，這里就首先拿platform開刀，展開學(xué)習(xí)之旅。
2.1 platform的引入
在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中經(jīng)常會(huì)見到和platform相關(guān)的字段，分布在驅(qū)動(dòng)程序的多個(gè)角落，這也是2.6內(nèi)核中比較重要的一種機(jī)制，把它原理弄懂，對(duì)以后分析驅(qū)動(dòng)程序很有幫助：在linux2.6設(shè)備模型中，關(guān)心總線、設(shè)備、驅(qū)動(dòng)這三個(gè)實(shí)體，總線將設(shè)備和驅(qū)動(dòng)綁定，在系統(tǒng)每注冊(cè)一個(gè)設(shè)備的時(shí)候，會(huì)尋找與之匹配的驅(qū)動(dòng)。相反，在系統(tǒng)每注冊(cè)一個(gè)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，尋找與之匹配的設(shè)備，匹配是由總線來(lái)完成的。
一個(gè)現(xiàn)實(shí)的Linux 設(shè)備和驅(qū)動(dòng)通常都需要掛接在一種總線上，對(duì)于本身依附于PCI、USB、I2C、SPI等的設(shè)備而言，這自然不是問(wèn)題，但是在嵌入式系統(tǒng)里面，SoC系統(tǒng)中集成的獨(dú)立的外設(shè)控制器、掛接在SoC內(nèi)存空間的外設(shè)等確不依附于此類總線?；谶@一背景，Linux 發(fā)明了一種虛擬的總線，稱為platform總線。SOC系統(tǒng)中集成的獨(dú)立外設(shè)單元（LCD，RTC，WDT等）都被當(dāng)作平臺(tái)設(shè)備來(lái)處理，而它們本身是字符型設(shè)備。
從Linux2.6內(nèi)核起，引入一套新的驅(qū)動(dòng)管理和注冊(cè)機(jī)制：platform_device和platform_driver。++platform是一個(gè)虛擬的地址總線，相比pci、usb，它主要用于描述SOC上的片上資源，比如S3C2440上集成的控制器（lcd、watchdog、rtc等）。platform所描述的資源有一個(gè)共同點(diǎn)，就是在CPU的總線上直接取址++。Linux中大部分的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，都可以使用這套機(jī)制，設(shè)備用platform_device表示，驅(qū)動(dòng)用platform_driver進(jìn)行注冊(cè)。
Linux platform driver機(jī)制和傳統(tǒng)的device driver機(jī)制(通過(guò)driver_register函數(shù)進(jìn)行注冊(cè))相比，一個(gè)十分明顯的++優(yōu)勢(shì)在于platform機(jī)制將設(shè)備本身的資源注冊(cè)進(jìn)內(nèi)核，由內(nèi)核統(tǒng)一管理，在驅(qū)動(dòng)程序中使用這些資源時(shí)通過(guò)platform device提供的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行申請(qǐng)并使用，這樣提高了驅(qū)動(dòng)和資源管理的獨(dú)立性，并且擁有較好的可移植性和安全性(這些標(biāo)準(zhǔn)接口是安全的)++。
platform機(jī)制將設(shè)備本身的資源注冊(cè)進(jìn)內(nèi)核，由內(nèi)核統(tǒng)一管理，在驅(qū)動(dòng)程序中使用這些資源時(shí)通過(guò)platform設(shè)備提供的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行申請(qǐng)并使用，從而達(dá)到了統(tǒng)一管理系統(tǒng)外設(shè)資源的目的，并將驅(qū)動(dòng)和資源分離，提高了驅(qū)動(dòng)和資源管理獨(dú)立性，且擁有更好的移植性。
2.2 platform與chrdev、blockdev和netdev的關(guān)系
注意，前面所講的platform_device并不是與字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并列的概念，而是Linux系統(tǒng)提供的一種附加手段。比如s3c2410中的看門狗驅(qū)動(dòng)，它既是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，也是雜項(xiàng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還是平臺(tái)設(shè)備驅(qū)動(dòng)：
字符設(shè)備描述了看門狗的訪問(wèn)方式是串行、順序的，而不是隨機(jī)、緩沖的；混雜設(shè)備意味著看門狗這個(gè)字符設(shè)備被丟在了使用同一設(shè)備號(hào)的混雜設(shè)備里面；平臺(tái)設(shè)備意味著看門狗這個(gè)設(shè)備是屬于平臺(tái)的獨(dú)立模塊，它完全是一項(xiàng)附加信息。
對(duì)于看門狗而言，“字符設(shè)備”是對(duì)其“本質(zhì)”的描述，“混雜設(shè)備”是存放這個(gè)字符設(shè)備的“容器”，“平臺(tái)設(shè)備”則描述了看門狗的一種“特征”或“屬性”。
例如一顆花生，如果我們把它本身看作一個(gè)字符設(shè)備，當(dāng)放在八寶粥里面，它就成了八寶粥混雜設(shè)備之一，而花生本身掛接在花生樹苗的根部，成為整個(gè)花生樹苗中一個(gè)獨(dú)立的硬件單元而存在，因此，也可以定義為一個(gè)平臺(tái)設(shè)備。
下圖所示為看門狗設(shè)備驅(qū)動(dòng)中其作為字符設(shè)備、混雜設(shè)備和平臺(tái)設(shè)備時(shí)的各組成元素，看門狗設(shè)備集三重身份于一身。
2.3 引入platform的好處
為了提高大家的學(xué)習(xí)的興趣，好保證一鼓作氣一氣拿下platform，這里列出內(nèi)核引入platform的好處：
- 保證了Linux內(nèi)核所有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的清晰；
- 這就是Linux內(nèi)核2.6版本之后驅(qū)動(dòng)模型的核心：設(shè)備、總線、驅(qū)動(dòng)模型；
- 更好的體現(xiàn)Linux內(nèi)核分層的思想，同時(shí)也體現(xiàn)了Linux內(nèi)核分離的思想；
- 使得每一個(gè)硬件設(shè)備都掛接在一個(gè)總線上，從而又保證配套的sysfs節(jié)點(diǎn)、設(shè)備電源管理都成為可能；
- 隔離BSP和驅(qū)動(dòng)。在BSP中定義platform設(shè)備和設(shè)備使用的資源、設(shè)備的具體配置信息，而在驅(qū)動(dòng)中，只需要通過(guò)通用API去獲取資源和數(shù)據(jù)，做到了板相關(guān)代碼和驅(qū)動(dòng)代碼的分離，使得驅(qū)動(dòng)具有更好的可擴(kuò)展性和跨平臺(tái)性。
三、平臺(tái)設(shè)備驅(qū)動(dòng)詳解
下面結(jié)合Linux-2.6.32.2內(nèi)核版本，重點(diǎn)分析platform內(nèi)核源碼，詳細(xì)講解platform實(shí)現(xiàn)的原理、機(jī)制，以及提供的接口函數(shù)及使用方法，后面章節(jié)還將以實(shí)例講解平臺(tái)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)方法。
