Linux 设备驱动开发思想 —— 驱动分层与驱动分离

前面我们学习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：

[cpp] view plaincopy

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：

[cpp] view plaincopy

return_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：

[cpp] view plaincopy

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：

[cpp] view plaincopy

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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