Linux platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的解析與應(yīng)用

趙 波，高 真 香 子，項(xiàng) 伯 陽，于 忠 得

(1.大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引 言

為統(tǒng)一管理Linux中的所有設(shè)備，Linux開發(fā)了設(shè)備模型。Linux設(shè)備模型可描述為：總線—設(shè)備—驅(qū)動(dòng)程序編程接口，內(nèi)核設(shè)備支持被清晰地結(jié)構(gòu)化為總線、設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序[1]。platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)是Linux設(shè)備模型中的重要組成部分，用于片上系統(tǒng)的外圍設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。隨著片上系統(tǒng)(SOC)的集成度越來越高，越來越多的外圍設(shè)備控制器被集成進(jìn)SOC，現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)程序已無法滿足使用需求，研究platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)有利于這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)的改寫、維護(hù)與擴(kuò)展，本文實(shí)現(xiàn)了基于platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的LCD驅(qū)動(dòng)。

1 platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

Linux設(shè)備模型，實(shí)質(zhì)上就是系統(tǒng)地管理Linux中所有設(shè)備，將設(shè)備間的層次關(guān)系抽象出來。內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型按層次可劃分為總線、設(shè)備、驅(qū)動(dòng)三層架構(gòu)，其基本關(guān)系可簡要概括為[2]：

(1)驅(qū)動(dòng)核心可以注冊多種類型的總線；

(2)每種總線下面可以掛載許多設(shè)備(通過kset devices)；

(3)每種總線下可以使用多種設(shè)備驅(qū)動(dòng)(通過包含一個(gè)kset drivers)；

(4)每個(gè)驅(qū)動(dòng)可以處理一組設(shè)備。

平臺(tái)設(shè)備(platform)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，是在Linux設(shè)備模型的基礎(chǔ)上，通過對總線、設(shè)備、驅(qū)動(dòng)3個(gè)概念的再定義而實(shí)現(xiàn)的[3]，在Linux內(nèi)核中，這3個(gè)概念通過platform總線、platform＿device(platform設(shè)備)、platform＿driver(platform驅(qū)動(dòng))3個(gè)部分實(shí)現(xiàn)。

1.1 platform總線

Linux操作系統(tǒng)中，platform總線負(fù)責(zé)將platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)注冊進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)核，在內(nèi)核識(shí)別platform總線之后，才能進(jìn)行platform設(shè)備、platform驅(qū)動(dòng)的識(shí)別與自動(dòng)匹配，所以，platform總線應(yīng)該在系統(tǒng)上電后自動(dòng)啟動(dòng)。platform總線的生成與注冊過程如圖1所示。

圖1 platform總線的生成與注冊過程Fig.1 Platform bus formation and registration process

在系統(tǒng)上電后，Linux內(nèi)核會(huì)自動(dòng)運(yùn)行／init／main.c程序，完成一些基本啟動(dòng)配置，然后調(diào)用／drivers／base／init.c文件中的driver＿init()函數(shù)，進(jìn)行內(nèi)核驅(qū)動(dòng)機(jī)制初始化，其中就會(huì)通過調(diào)用／drivers／base／platform.c文件的 device＿register()函數(shù)，將platform總線與platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)注冊進(jìn)Linux內(nèi)核。其中，platform總線作為設(shè)備的一種，通過platform＿bus結(jié)構(gòu)體表示；platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)通過platform＿bus＿type結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體均在platform.c中被定義為全局對象。

1.2 platform設(shè)備

platform設(shè)備主要包括LCD、串口等可以被CPU總線直接尋址的集成于片上系統(tǒng)(SOC)的外圍設(shè)備控制器等[4]。Linux內(nèi)核中，platform設(shè)備通過platform＿device結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)，代碼路徑：／include／linux／platform＿device.h，具體定義如下：

其中，設(shè)備名稱name是platform設(shè)備與platform驅(qū)動(dòng)自動(dòng)匹配的關(guān)鍵，只有name值相同時(shí)，platform設(shè)備與platform驅(qū)動(dòng)才能匹配上。

Linux系統(tǒng)中，通過結(jié)構(gòu)體的互相包含方式，實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο笏枷氲睦^承。在platform設(shè)備結(jié)構(gòu)體中，就包含了struct device結(jié)構(gòu)體，實(shí)現(xiàn)了對Linux中設(shè)備概念(struct device)的繼承。在struct device dev中dev－＞platform＿data與dev－＞driver＿data是兩個(gè)void型變量，可用于存儲(chǔ)具體設(shè)備的硬件信息、驅(qū)動(dòng)信息等，如LCD的分辨率、刷新率等，可定義一個(gè)FS2410＿fb＿mach＿info結(jié)構(gòu)，記錄LCD的硬件信息(屏幕尺寸、屏幕信息、LCD配置寄存器)等，并將該結(jié)構(gòu)體賦值給platform＿device中的dev－＞platform＿data。

＊resource是具體設(shè)備的資源，如中斷號(hào)IRQ、地址資源等。通過platform＿device＿register()可以自動(dòng)將platform＿device結(jié)構(gòu)體(硬件配置信息)注冊進(jìn)內(nèi)核空間。

platform設(shè)備必須在platform驅(qū)動(dòng)之前注冊入內(nèi)核空間，否則無法自動(dòng)匹配。

1.3 platform驅(qū)動(dòng)

platform驅(qū)動(dòng)完全遵照設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型的約定[3]，通過platform＿driver＿register()函數(shù)完成platform＿driver的注冊，platform驅(qū)動(dòng)的封裝結(jié)構(gòu)體為 platform＿driver，代碼路徑為：／include／linux／platform＿device.h，具體定義如下：struct device＿driver driver，實(shí)現(xiàn)了對 device＿driver的繼承，為具體的platform驅(qū)動(dòng)提供了統(tǒng)一內(nèi)核接口；同時(shí)，提供了(＊suspend)、(＊resume)等函數(shù)指針，可用于休眠、喚醒等智能電源管理功能。在具體應(yīng)用中，只需驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)設(shè)備底層功能函數(shù)，同時(shí)將功能函數(shù)填充platform＿driver結(jié)構(gòu)體的接口中，就可以由Linux內(nèi)核自動(dòng)進(jìn)行platform驅(qū)動(dòng)的管理，大大減輕了工作難度與強(qiáng)度。

對于platform＿driver的注冊，可以通過調(diào)用platform＿driver＿register(＆platform＿driver)來實(shí)現(xiàn)，其主要涉及的數(shù)據(jù)流程參見圖2。

圖2 注冊platform驅(qū)動(dòng)的內(nèi)核數(shù)據(jù)流程Fig.2 Kernel data flow of Platform driver register

在platform驅(qū)動(dòng)的注冊過程中，會(huì)在＿driver＿attach()中通過調(diào)用driver＿match＿device(drv，dev)來匹配platform設(shè)備中name與platform驅(qū)動(dòng)中的name值，如果相同，platform設(shè)備與platform驅(qū)動(dòng)就綁定成功，底層的設(shè)備就可以正常地運(yùn)行。

2 采用platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的LCD驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

本研究以優(yōu)龍F(tuán)S2410開發(fā)板為硬件平臺(tái)，Linux 2.6.31為內(nèi)核版本，外接8寸夏普LCD顯示屏，采用Platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的LCD驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在FS2410中，LCDC(LCD控制器)是集成于SOC的外圍設(shè)備控制器，被CPU總線直接尋址，按照platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的一般步驟，有四個(gè)環(huán)節(jié)：定義platform 設(shè)備(platform＿device)、注冊platform設(shè)備、定義platform驅(qū)動(dòng)(platform＿driver)、注冊platform驅(qū)動(dòng)，同時(shí)必須保證platform設(shè)備在platform驅(qū)動(dòng)之前注冊進(jìn)內(nèi)核空間。

2.1 定義platform設(shè)備

代碼路徑：／arch／arm／plat－s3c24xx／Devs.c。

在Devs.c統(tǒng)一定義了S3C24xx架構(gòu)的platform＿device，在這個(gè)文件里，可定義

在同文件的如下程序中定義了Lcdc所持有的資源(CPU尋址地址、IRQ中斷號(hào))。

同時(shí)，定義一個(gè)FS2410fb＿mach＿info結(jié)構(gòu)體，記錄LCD的屏幕信息、分辨率、LCD配置寄存器等信息，并填充到platform＿device的dev－＞platform＿data中，供內(nèi)核空間調(diào)用。

2.2 注冊platform設(shè)備

代碼路徑：／arch／arm／mach－s3c2410／mach＿smdk2410.c。

在 mach－smdk2410.c中，通過platform＿add＿devices(smdk2410＿devices，…)將 smdk2410＿devices注冊進(jìn)內(nèi)核空間，其中smdk2410＿devices[]＝｛＆s3c＿device＿usb，＆s3c＿device＿lcd，…｝，即所有2410平臺(tái)的platform設(shè)備，都被裝填入smdk2410＿devics[]這個(gè)數(shù)組，在platform＿add＿devices()中統(tǒng)一注冊進(jìn)內(nèi)核空間。

2.3 定義platform驅(qū)動(dòng)

代碼路徑：／drivers／video／s3c2410fb.c。

在s3c2410fb.c對platform＿driver進(jìn)行了定義：

在此結(jié)構(gòu)體中，具體填充了probe驅(qū)動(dòng)探測函數(shù)，suspend、resume電源管理函數(shù)，對于驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員，不需關(guān)心內(nèi)核對它的調(diào)用，只需關(guān)心具體功能函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，并填充到標(biāo)準(zhǔn)接口即可。在.driver中.name＝”FS2410－lcd”，這個(gè)值需要與platform＿device中的name完全一致。在suspend、resume部分，實(shí)行了Linux電源管理，在具體驅(qū)動(dòng)開發(fā)中，可以在此處實(shí)現(xiàn)智能節(jié)電措施，可以采用如安卓操作系統(tǒng)(Android)中的喚醒鎖(wakelock)等機(jī)制。

S3c2410fb＿probe()的調(diào)用實(shí)現(xiàn)，是在將platform驅(qū)動(dòng)注冊進(jìn)內(nèi)核空間，并和內(nèi)核已維護(hù)的platform＿device鏈表中的name相匹配后。其具體實(shí)現(xiàn)流程：

2.4 注冊platform驅(qū)動(dòng)

在／drivers／video／s3c2410fb.c中通過調(diào)用platform＿driver＿register()實(shí)現(xiàn)了platform＿driver的注冊，具體實(shí)現(xiàn)如下：platform＿driver＿register(＆s3c2410fb＿driver)。

2.5 移植驗(yàn)證

采用platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，移植LCD驅(qū)動(dòng)，修改相應(yīng) Makefile、Kconfig[5]，編譯內(nèi)核，并通過USB下載到FS2410開發(fā)板后，串口打印顯示LCD驅(qū)動(dòng)加載成功。圖3為在移植后的8寸夏普LCD屏上運(yùn)行QT／E應(yīng)用程序，顯示結(jié)果清晰、穩(wěn)定，無撕裂現(xiàn)象。

圖3 移植實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Porting experiment results

3 結(jié)束語

采用platform驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，具有框架代碼復(fù)用、設(shè)備資源與驅(qū)動(dòng)獨(dú)立性強(qiáng)、代碼精簡、具有統(tǒng)一內(nèi)核接口、易于維護(hù)與擴(kuò)展等特點(diǎn)。在開發(fā)具體驅(qū)動(dòng)時(shí)，只需專注完成底層設(shè)備操作函數(shù)集，并與platform＿driver結(jié)構(gòu)體提供的內(nèi)核接口一一對應(yīng)，保證device.name與driver.name相一致，platform設(shè)備在platform驅(qū)動(dòng)之前注冊進(jìn)內(nèi)核空間，就可以使驅(qū)動(dòng)良好、穩(wěn)定地運(yùn)行，大大減輕了工作強(qiáng)度，壓縮新產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間。移植試驗(yàn)證明，采用該架構(gòu)的驅(qū)動(dòng)具有很好的移植性、可維護(hù)性、擴(kuò)展性。

[1]VENKATESWARAN S.Essential Linux Device Drivers[M].Boston：Prentice Hall，2008：71－77.

[2]CORBET J，RUBINI A，HARTMAN G K.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[M].3版.魏永明，譯.北京：中國電力出版社，2006：359－388.

[3]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008：476－490.

[4]宮莉莉，趙勇.基于嵌入式Linux系統(tǒng)的LCD驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(35)：1－3.

[5]蘇哲欣，劉鴻飛，薛曉.基于嵌入式Linux的LCD驅(qū)動(dòng)分析與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22(2)：29－30.