嵌入式Linux設備驅動開發之驅動分層/分離思想

我們在學習I2C、USB、SD驅動時，有沒有發現一個共性，就是在驅動開發時，每個驅動都分層三部分，由上到下分別是：

1、XXX 設備驅動

2、XXX 核心層

3、XXX 主機控制器驅動

而需要我們編寫的主要是設備驅動部分，主機控制器驅動部分也有少量編寫，二者進行交互主要時由核心層提供的接口來實現;這樣結構清晰，大大地有利于我們的驅動開發，這其中就是利用了Linux設備驅動開發中兩個重要思想，下面來一一解析

一、設備驅動的分層思想

在面向對象的程序設計中，可以為某一類相似的事物定義一個基類，而具體的事物可以繼承這個基類中的函數。如果對于繼承的這個事物而言，其某函數的實現與基類一致，那它就可以直接繼承基類的函數;相反，它可以重載之。這種面向對象的設計思想極大地提高了代碼的可重用能力，是對現實世界事物間關系的一種良好呈現。

Linux內核完全由C語言和匯編語言寫成，但是卻頻繁用到了面向對象的設計思想。在設備驅動方面，往往為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。同樣的，如果具體的設備不想使用核心層的函數，它可以重載之。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()，如果重載了，就調用底層的代碼，否則，直接使用通用層的。這樣做的好處是，核心層的代碼可以處理絕大多數該類設備的funca()對應的功能，只有少數特殊設備需要重新實現funca()。

再看一個例子：

copyreturn_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();

}

上述代碼假定為了實現funca()，對于同類設備而言，操作流程一致，都要經過“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，分層設計明顯帶來的好處是，對于通用代碼A、B、C，具體的底層驅動不需要再實現，而僅僅只關心其底層的操作ops1、ops2、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系，實際上，這種分層可能只有2層(圖1的a)，也可能是多層的(圖1的b)。

這樣的分層化設計在Linux的input、RTC、MTD、I2 C、SPI、TTY、USB等諸多設備驅動類型中屢見不鮮。

二、主機驅動和外設驅動分離思想

主機、外設驅動分離的意義

在Linux設備驅動框架的設計中，除了有分層設計實現以外，還有分隔的思想。舉一個簡單的例子，假設我們要通過SPI總線訪問某外設，在這個訪問過程中，要通過操作CPU XXX上的SPI控制器的寄存器來達到訪問SPI外設YYY的目的，最簡單的方法是：

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));

...

}

如果按照這種方式來設計驅動，結果是對于任何一個SPI外設來講，它的驅動代碼都是CPU相關的。也就是說，當然用在CPU XXX上的時候，它訪問XXX的SPI主機控制寄存器，當用在XXX1的時候，它訪問XXX1的SPI主機控制寄存器：

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));

...

}

這顯然是不能接受的，因為這意味著外設YYY用在不同的CPU XXX和XXX1上的時候需要不同的驅動。那么，我們可以用如圖的思想對主機控制器驅動和外設驅動進行分離。這樣的結構是，外設a、b、c的驅動與主機控制器A、B、C的驅動不相關，主機控制器驅動不關心外設，而外設驅動也不關心主機，外設只是訪問核心層的通用的API進行數據傳輸，主機和外設之間可以進行任意的組合。

如果我們不進行上圖的主機和外設分離，外設a、b、c和主機A、B、C進行組合的時候，需要9個不同的驅動。設想一共有m個主機控制器，n個外設，分離的結果是需要m+n個驅動，不分離則需要m*n個驅動。

Linux SPI、I2C、USB、ASoC(ALSA SoC)等子系統都典型地利用了這種分離的設計思想。