在嵌入式中，有無(wú)操作系統對設備驅動(dòng)有啥不同？

　　一、驅動(dòng)的作用

　　任何一個(gè)計算機系統的運行都是系統中軟硬件協(xié)作的結果，沒(méi)有硬件的軟件是空中樓閣，而沒(méi)有軟件的硬件則只是一堆廢鐵。硬件是底層基礎，是所有軟件得以運行的平臺，代碼最終會(huì )落實(shí)為硬件上的組合邏輯與時(shí)序邏輯;軟件則實(shí)現了具體應用，它按照各種不同的業(yè)務(wù)需求而設計，滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求。硬件較固定，軟件則很靈活，可以適應各種復雜多變的應用?？梢哉f(shuō)，計算機系統的軟硬件互相成就了對方。

　　但是，軟硬件之間同樣存在著(zhù)悖論，那就是軟件和硬件不應該互相滲透到對方的領(lǐng)地。為了盡可能快速地完成設計，應用軟件工程師不想也不必關(guān)心硬件，而硬件工程師也難有足夠的閑暇和能力來(lái)顧及軟件。例如，應用軟件工程師在調用套接字發(fā)送和接收數據包的時(shí)候，他不必關(guān)心網(wǎng)卡上的中斷、寄存器、存儲空間、I/O端口、片選以及其他任何硬件詞匯;在使用printf()函數輸出信息的時(shí)候，他不用知道底層究竟是怎樣把相應的信息輸出到屏幕或串口。

　　也就是說(shuō)，應用軟件工程師需要看到一個(gè)沒(méi)有硬件的純粹的軟件世界，硬件必須被透明地呈現給他們。誰(shuí)來(lái)實(shí)現硬件對應用軟件工程師的隱形?這個(gè)艱巨的任務(wù)就落在了驅動(dòng)工程師的頭上。

　　對設備驅動(dòng)最通俗的解釋就是“驅使硬件設備行動(dòng)” 。設備驅動(dòng)與底層硬件直接打交道，按照硬件設備的具體工作方式讀寫(xiě)設備寄存器，完成設備的輪詢(xún)、中斷處理、DMA通信，進(jìn)行物理內存向虛擬內存的映射，最終使通信設備能夠收發(fā)數據，使顯示設備能夠顯示文字和畫(huà)面，使存儲設備能夠記錄文件和數據。

　　由此可見(jiàn)，設備驅動(dòng)充當了硬件和應用軟件之間的紐帶，它使得應用軟件只需要調用系統軟件的應用編程接口(API)就可讓硬件去完成要求的工作。在系統中沒(méi)有操作系統的情況下，工程師可以根據硬件設備的特點(diǎn)自行定義接口，如對串口定義SerialSend()、SerialRecv();對 LED 定義LightOn()、LightOff();以及對 Flash 定義FlashWrite()、FlashRead()等。而在有操作系統的情況下，設備驅動(dòng)的架構則由相應的操作系統定義，驅動(dòng)工程師必須按照相應的架構設計設備驅動(dòng)，這樣，設備驅動(dòng)才能良好地整合到操作系統的內核中。

　　驅動(dòng)程序溝通著(zhù)硬件和應用軟件，而驅動(dòng)工程師則溝通著(zhù)硬件工程師和應用軟件工程師。隨著(zhù)通信、電子行業(yè)的迅速發(fā)展，全世界每天都會(huì )有大量的新芯片被生產(chǎn)，大量的新電路板被設計，因此，也會(huì )有大量設備驅動(dòng)需要開(kāi)發(fā)。這些設備驅動(dòng)，或運行在簡(jiǎn)單的單任務(wù)環(huán)境中，或運行在 VxWorks、Linux、Windows等多任務(wù)操作系統環(huán)境中，發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。

　　二、有無(wú)操作系統的區別

　　1)無(wú)操作系統(即裸機)時(shí)的設備驅動(dòng)

　　并不是任何一個(gè)計算機系統都一定要運行操作系統，在許多情況下操作系統是不要的。對于功能比較單一、控制并不復雜的系統，如公交車(chē)刷卡機、電冰箱、微波、簡(jiǎn)單的手機和小靈通等，并不需要多任務(wù)調度、文件系統、內存管理等復雜功能，單任務(wù)架構完全可以很好地支持它們的工作。一個(gè)無(wú)限循環(huán)中夾雜對設備中斷的檢測或者對設備的輪詢(xún)是這種系統中軟件的典型架構。裸機的實(shí)現就有點(diǎn)類(lèi)似單片機(MCU)了，盡管單片機的寄存器沒(méi)有那么的多，如果會(huì )裸機驅動(dòng)，我想，應該能勝任單片機的工作了，呵呵。

　　在這樣的系統中，雖然不存在操作系統，但是設備驅動(dòng)是必須存在的。一般情況下，對每一種設備驅動(dòng)都會(huì )定義為一個(gè)軟件模塊，包含.h文件和.c文件，前者定義該設備驅動(dòng)的數據結構并聲明外部函數，后者進(jìn)行設備驅動(dòng)的具體實(shí)現。書(shū)中例舉了一個(gè)串口驅動(dòng)serial.c serial.h，主要是配置GPIO，串口控制寄存器，以及串口的收發(fā)(讀寫(xiě))寄存器，而這幾個(gè)配置都是自定義函數實(shí)現的，比如串口的寫(xiě)(發(fā))SerialSend 函數等。

　　其他模塊需要使用這個(gè)設備的時(shí)候，只需要包含設備驅動(dòng)的頭文件 serial.h，然后調用其中的外部接口函數即可。如我們要從串口上發(fā)送字符串“Hello World”，使用函數SerialSend( " Hello World ",11)即可。

　　由此可見(jiàn)，在沒(méi)有操作系統的情況下，設備驅動(dòng)的接口被直接提交給了應用軟件工程師， 應用軟件沒(méi)有跨越任何層次就直接訪(fǎng)問(wèn)了設備驅動(dòng)的接口。 設備驅動(dòng)包含的接口函數也與硬件的功能直接吻合， 沒(méi)有任何附加功能。

　　有的工程師把單任務(wù)系統設計成設備驅動(dòng)和具體的應用軟件模塊處于同一層次(即應用程序也在比如serial.c中實(shí)現)，這顯然是不合理的，不符合軟件設計中高內聚低耦合的要求。

　　另一種不合理的設計是直接在應用中操作硬件的寄存器(單獨一個(gè)main.c，所有功能都在一個(gè)函數中實(shí)現，不采用其他任何接口/函數)，而不單獨設計驅動(dòng)模塊，這種設計意味著(zhù)系統中不存在或未能充分利用可被重用的驅動(dòng)代碼。

　　2)有操作系統時(shí)的設備驅動(dòng)

　　無(wú)操作系統時(shí)的設備驅動(dòng)中的設備驅動(dòng)直接運行在硬件之上，不與任何操作系統關(guān)聯(lián)。當系統中包含操作系統后，設備驅動(dòng)會(huì )變得怎樣?

　　首先，無(wú)操作系統時(shí)設備驅動(dòng)的硬件操作工作仍然是必不可少的， 沒(méi)有這一部分，設備驅動(dòng)不可能與硬件打交道。

　　其次，我們還需要將設備驅動(dòng)融入內核。為了實(shí)現這種融合，必須在所有的設備驅動(dòng)中設計面向操作系統內核的接口，這樣的接口由操作系統規定，對一類(lèi)設備而言結構一致，獨立于具體的設備。

　　由此可見(jiàn)，當系統中存在操作系統的時(shí)候，設備驅動(dòng)變成了連接硬件和內核的橋梁。操作系統的存在勢必要求設備驅動(dòng)附加更多的代碼和功能(以我看，主要是提供了很多結構)，把單一的“驅使硬件設備行動(dòng)”變成了操作系統內與硬件交互的模塊，它對外呈現為操作系統的API，不再給應用軟件工程師直接提供接口。有了操作系統之后，設備驅動(dòng)反而變得復雜，那要操作系統干什么?

　　首先，一個(gè)復雜的軟件系統需要處理多個(gè)并發(fā)的任務(wù)，沒(méi)有操作系統，想完成多任務(wù)并發(fā)是很困難的。

　　其次，操作系統給我們提供內存管理機制。一個(gè)典型的例子是，對于多數含 MMU的處理器而言，Windows、Linux 等操作系統可以讓每個(gè)進(jìn)程都獨立地訪(fǎng)問(wèn) 4GB的內存空間。

　　上述優(yōu)點(diǎn)似乎并沒(méi)有體現在設備驅動(dòng)身上，操作系統的存在給設備驅動(dòng)究竟帶來(lái)了什么好處呢?

　　簡(jiǎn)而言之，操作系統通過(guò)給設備驅動(dòng)制造麻煩來(lái)達到給上層應用提供便利的目的。如果設備驅動(dòng)都按照操作系統給出的獨立于設備的接口而設計，應用程序將可使用統一的系統調用接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)各種設備。對于類(lèi)UNIX的VxWorks、Linux等操作系統而言，應用程序通過(guò)write()、read()等函數讀寫(xiě)文件就可以訪(fǎng)問(wèn)各種字符設備和塊設備，而不用管設備的具體類(lèi)型和工作方式，是非常方便的。

　　不管有無(wú)操作系統，不管是SerialSend，或者write，訪(fǎng)問(wèn)設備都需要對寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，比如串口，在dev目錄下有個(gè)ttys0結點(diǎn)，我們可以通過(guò)ioctl函數對其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，當然，write、read更為直接咯。而上層的應用可以對這些函數進(jìn)行封裝，定義不同的接口，從而實(shí)現更多的功能