關(guān)注自由和開(kāi)源軟件

為什么關(guān)注“自由和開(kāi)源軟件”？使用自由和開(kāi)源軟件 (FOSS)群體的迅速擴增，從1980年以來(lái)，體現了嵌入式行業(yè)最重要的全面長(cháng)期發(fā)展趨勢。第一，獲得 FOSS軟件許可，就可以使用源代碼，同時(shí)還賦予開(kāi)發(fā)人員研究、變更、改進(jìn)軟件設計的權利。第二，在每一類(lèi)主要軟件的生命周期中，FOSS已經(jīng)或者必將發(fā)揮一定的作用，影響從64位服務(wù)器到8位微控制器的一切平臺。FOSS將從根本上改變所有用戶(hù)和開(kāi)發(fā)人員對于軟件價(jià)值主張的看法。因此，大部分嵌入式開(kāi)發(fā)人員或早或晚都會(huì )在設計中使用FOSS。

什么是FOSS

“自由軟件”與“開(kāi)源軟件”的主要區別在于其內含的自由概念不同。“自由軟件”許可尊重最終用戶(hù)的幾項基本自由：運行軟件的自由;研究和更改軟件的自由;再分發(fā)副本的自由；改進(jìn)程序和發(fā)布這些改進(jìn)的自由可以自由地做這些事情，意味著(zhù)您不必征求許可或者支付費用獲得許可，這是一個(gè)關(guān)于自由的問(wèn)題，而非商業(yè)問(wèn)題，因此應理解為“言論自由，而不是免費啤酒”。

另外還應注意，這些自由是針對“最終用戶(hù)”而言，而不是開(kāi)發(fā)人員，也不是軟件分發(fā)者。

另一方面，“開(kāi)源軟件”并非始終賦予最終用戶(hù)同樣的自由，但它賦予“開(kāi)發(fā)人員”訪(fǎng)問(wèn)源代碼等權利。4種開(kāi)源許可都允許開(kāi)發(fā)人員創(chuàng )建專(zhuān)有閉源軟件，而不要求分發(fā)最終成果的源代碼。BSD（伯克利軟件發(fā)行）許可就是其中一例，它允許以二進(jìn)制形式再分發(fā)軟件，無(wú)需提供源代碼。

在現實(shí)世界中，閉源或專(zhuān)有軟件與FOSS主要區別在于大眾協(xié)作開(kāi)發(fā)的性質(zhì)不同，前者大家都獨立開(kāi)發(fā)各自的項目，而后者任何用戶(hù)都可能成為開(kāi)發(fā)人員，報告并修正缺陷，或者增加新特性。

FOSS受到嵌入式市場(chǎng)歡迎的原因很簡(jiǎn)單，主要是經(jīng)濟利益驅動(dòng)，它能降低軟件成本，加快產(chǎn)品上市。FOSS將“自主開(kāi)發(fā)”的開(kāi)發(fā)人員變?yōu)橄到y集成者，使其能專(zhuān)注于產(chǎn)品增值和與眾不同的特性，而不是一次次重復產(chǎn)生相同的基本結構和功能。這是控制軟件開(kāi)發(fā)成本的唯一行之有效的方法。無(wú)論何種組織機構，總會(huì )處于采用開(kāi)源軟件五個(gè)階段中的某一階段。

表1:采用FOSS的五個(gè)階段

雖然許多人將FOSS等同于著(zhù)名的Linux®內核或者基于Linux的發(fā)行版，但在嵌入式開(kāi)發(fā)中，超出Linux范圍使用FOSS已經(jīng)非常普遍；幾乎四分之三的組織都在使用它，涉及到成千上萬(wàn)個(gè)項目。然而，隨著(zhù)基于Linux的嵌入式系統越來(lái)越受歡迎，為嵌入式外設（ADC、DAC、音頻編解碼器、加速度計、觸摸屏控制器等）提供Linux驅動(dòng)程序的需求變得日益迫切。

ADI公司創(chuàng )建、修改和維護的驅動(dòng)程序的各層：

•在何處進(jìn)行維護（驅動(dòng)程序的下載位置）

•接口代碼（用于內核的公共代碼）——允許在您的平臺上使用驅動(dòng)程序

•驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)慣例（哪些文件可以修改或提供，哪些不能）

•何處可以找到代碼——如何提交缺陷和問(wèn)題報告

Linux設備驅動(dòng)程序

多數Linux用戶(hù)都樂(lè )于不知道Linux內核所涉及的底層硬件復雜性和問(wèn)題，往往會(huì )吃驚地發(fā)現內核大部分都與運行于其上的硬件無(wú)關(guān)。事實(shí)上，Linux內核中的多數源代碼都與獨立于架構的設備驅動(dòng)程序有關(guān)：在Linux2.6.32.6內核的全部7 934 5669行代碼中，有4 758 810行代碼（60%以上）都位于./drivers,./sound和./firmware目錄下，比例之高令人震驚。與架構有關(guān)的代碼只占Linux內核的很小一部分，全部22種不同架構僅有1 501 545行代碼（18.9%）。Linux內核支持的前10大架構如表2所示。

表2:Linux內核支持的前10大架構

這說(shuō)明，與架構無(wú)關(guān)約占內核源代碼的60%的驅動(dòng)程序具有舉足輕重的作用。對于每種支持Linux的硬件，都有人編寫(xiě)過(guò)設備驅動(dòng)程序。自2007年以來(lái)，ADI公司一直位列為L(cháng)inux內核10貢獻代碼最多的20家公司之一，并設立了專(zhuān)職團隊從事Linux設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。

Linux設備驅動(dòng)程序的基本知識

設備驅動(dòng)程序用作硬件與使用硬件的應用程序（用戶(hù)代碼）或內核之間的轉譯器，它將硬件的工作細節隱藏于幕后，從而起到簡(jiǎn)化編程的作用。編程人員可以利用一套標準化調用方法（系統調用）編寫(xiě)高級應用程序代碼，而不必關(guān)心它將控制的特定硬件或運行于其上的處理器。借助定義明確的內部應用程序編程接口（內核API），應用程序代碼便可以通過(guò)與軟件上層結構或底層硬件無(wú)關(guān)的標準方式與設備驅動(dòng)程序實(shí)現接口。

針對特定處理器平臺，操作系統(OS)處理硬件操作的細節。利用內核(OS)內部硬件抽象層(HAL)和處理器專(zhuān)用外設驅動(dòng)程序（例如I2C®SPI總線(xiàn)驅動(dòng)程序），通常的設備驅動(dòng)程序甚至也能獨立處理器平臺。這種方法允許一個(gè)設備驅動(dòng)程序（例如觸摸屏數字化儀AD7879的驅動(dòng)程序）可以不加修改地用在任何運行Linux的處理器平臺上，Linux內核之上運行任何圖形用戶(hù)界面(GUI)包和適當的應用程序。如果硬件設計人員決定轉而使用觸摸屏控制器AD7877，他（她）將無(wú)需軟件團隊提供信息。兩款器件均可用驅動(dòng)程序；雖然器件不同，連接方式可能不同（AD7877僅提供SPI，AD7879則有SPI或I2C），并且寄存器圖也不相同，但相對于觸摸屏用戶(hù)代碼的內核API完全相同。這樣，對硬件的控制權便又回到硬件架構師手中。

Linux內核中的不同類(lèi)型設備驅動(dòng)程序提供不同的抽象層次，傳統上一般將其分為以下三類(lèi)。

字符設備：處理字節流。串行端口或輸入設備驅動(dòng)程序（鍵盤(pán)、鼠標、觸摸屏、游戲操縱桿等）通常實(shí)現字符設備類(lèi)型。

塊數據設備：?jiǎn)未尾僮魈幚?12字節或更多的二次冪塊數據。存儲設備驅動(dòng)程序通常實(shí)現此類(lèi)塊設備。

網(wǎng)絡(luò )接口：任何網(wǎng)絡(luò )事務(wù)都通過(guò)接口完成，接口指能夠與其他主機交換數據的設備。

在Linux內核中，各特殊類(lèi)別都可能有多個(gè)獨立的設備核心層，以幫助開(kāi)發(fā)人員實(shí)現提供標準用途的驅動(dòng)程序，如視頻、音頻、網(wǎng)絡(luò )、輸入設備或背光處理等。通常，每個(gè)子系統在Linux內核源代碼樹(shù)中都有其自己的目錄。這種“設備驅動(dòng)程序核心方法”消除了特定類(lèi)別所有設備驅動(dòng)程序的公共代碼，為上層構建了一個(gè)標準接口。每類(lèi)設備或總線(xiàn)設備核心驅動(dòng)程序通常會(huì )將一個(gè)函數集導出至其子類(lèi)。驅動(dòng)程序利用這種核心驅動(dòng)程序注冊，并使用核心驅動(dòng)程序所導出的API，而不是注冊其自己的字符/塊/網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序。這通常包括支持和處理多個(gè)實(shí)例以及在層間分配數據的方式。絕大部分系統無(wú)意了解設備如何連接，但需要知道何種設備可用。Linux設備模型也包括一種將設備指派給特定類(lèi)別的機制，如input（輸入）、RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、net（網(wǎng)絡(luò )）或GPIO（通用輸入/輸出）等。這些類(lèi)名在更高的功能層次描述設備，使之能在用戶(hù)空間中被發(fā)現。

特定硬件可能有多個(gè)設備驅動(dòng)程序子系統與之相關(guān)。多功能芯片，例如帶I/O擴展器的背光驅動(dòng)器ADP5520，會(huì )同時(shí)利用Linux背光、LED、GPIO和輸入子系統來(lái)實(shí)現其鍵盤(pán)功能。

如前文所述，用戶(hù)應用程序不能直接與硬件通信，因為那將要求擁有對處理器的管理員權限，例如執行特殊指令或處理中斷。使用特定硬件設備的應用程序通常在通過(guò)/dev目錄中的節點(diǎn)暴露的內核驅動(dòng)程序上工作。

設備節點(diǎn)稱(chēng)為偽文件，因為它們看起來(lái)像文件；應用程序也可以打開(kāi)或關(guān)閉它們（open()或close()），但在讀取或寫(xiě)入這些文件時(shí)，數據來(lái)自或傳遞至設備節點(diǎn)相關(guān)的驅動(dòng)程序。這個(gè)抽象層次由Linux內核中的虛擬文件系統(VFS)處理。除了read()、write()或poll()外，用戶(hù)應用程序也可以利用ioctl()（輸入/輸出控制）與設備交互。

除設備節點(diǎn)外，應用程序也可以利用/sys目錄中的文件條目；這是一個(gè)sysfs虛擬文件系統，可將有關(guān)設備和驅動(dòng)程序的信息，包括父子關(guān)系或與特定類(lèi)、總線(xiàn)的關(guān)聯(lián)，從內核設備模型導出至用戶(hù)空間。/sys也頻繁用于設備配置，特別是當相關(guān)驅動(dòng)程序以一個(gè)設備驅動(dòng)程序核心注冊時(shí)，此時(shí)它只將其標準功能集導出給用戶(hù)。

設備驅動(dòng)程序可以注冊/sys“鉤子”或“條目”；讀取或寫(xiě)入鉤子或條目時(shí)，將執行設備驅動(dòng)程序專(zhuān)門(mén)注冊的回調函數。這些回調函數（在管理員模式下運行）可以接受參數、發(fā)起總線(xiàn)傳輸、調用某種處理、修改特定設備變量，并將整數值或字符串返回給用戶(hù)。這就為實(shí)現其他功能創(chuàng )造了條件；例如，用戶(hù)空間可以使用觸摸屏數字化儀AD7877的溫度傳感器或輔助ADC。

設備驅動(dòng)程序既可以靜態(tài)地構建于內核中，也可以在以后作為可加載模塊動(dòng)態(tài)安裝。Linux內核模塊(LKM)是動(dòng)態(tài)組件，可以在運行時(shí)插入和移除。這對于驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)人員特別有用，因為更快的編譯速度可以節省時(shí)間，而且測試模塊不必重啟系統。讓硬件驅動(dòng)程序駐留在可以隨時(shí)載入內核的模塊中，便可以在特定硬件不用時(shí)節約RAM。

加載模塊時(shí)，也可以賦予其配置參數。對于構建于內核中的模塊，參數在內核啟動(dòng)時(shí)傳送給該模塊。例如：

root:~> insmod ./sample_module.ko argument=1

root:~> lsmod

Module Size Used by

sample_module 1396 0 - Live 0x00653000

root:~> rmmod sample_module

驅動(dòng)程序也可以多次實(shí)例化，每次實(shí)例化都可以采用不同的設置，目標設備可以有不同的I2C從ID，連接到不同的SPI從選擇，或者映射到不同的物理存儲器地址。所有實(shí)例共用同樣的代碼，以便節省存儲器，但具有各自的數據段。

Linux是一種先占式多任務(wù)、多用戶(hù)操作系統，因此幾乎所有設備驅動(dòng)程序和內核子系統都允許多個(gè)進(jìn)程（可能由不同的用戶(hù)所有）同時(shí)利用設備。常見(jiàn)的例子有network（網(wǎng)絡(luò )）、audio（音頻）或input（輸入）接口。QWERTY鍵盤(pán)控制器ADP5588的鍵按下或釋放事件會(huì )被加上時(shí)間戳、排隊并發(fā)送至所有已打開(kāi)input vent device（輸入事件設備）的進(jìn)程。這些事件代碼在所有架構上都相同，并且與硬件無(wú)關(guān)。讀USB鍵盤(pán)與從用戶(hù)空間讀取ADP5588并無(wú)區別。事件類(lèi)型通過(guò)代碼加以區分。鍵盤(pán)發(fā)送鍵事件(EV_KEY)、鍵識別碼以及代表按下或釋放動(dòng)作的某種狀態(tài)值。觸摸屏發(fā)送絕對坐標事件(EV_ABS)以及由x、y和觸摸壓力組成的一個(gè)三元組，鼠標則發(fā)送相對運動(dòng)事件(EV_REL)。加速度計ADXL346在發(fā)送關(guān)于加速度的絕對坐標事件的同時(shí)，可以發(fā)送關(guān)于單振或雙振的鍵事件。

某些應用中，加速度計ADXL346產(chǎn)生相對事件或者發(fā)送特定鍵代碼（特定應用設置），也很有意義。一般而言，定制驅動(dòng)程序有兩種方式：運行時(shí)或編譯時(shí)。

可能在運行時(shí)進(jìn)行定制的設備特性使用模塊參數和或/sys條目。

實(shí)現特定目標

使用開(kāi)源Linux驅動(dòng)程序—通過(guò)定制實(shí)現特定目標，對于編譯時(shí)配置，將特定板和特定應用配置排除在主驅動(dòng)程序文件之外是Linux的慣例，一般將其放入board support ?le（板支持文件）中。

對于定制板上的設備（這是嵌入式和基于SoC片上系統硬件的典型現象），Linux使用platform_data指向描述設備及其如何連到SoC的特定板結構。這可以包括可用端口、不同芯片版本、首選模式、默認初始化、引腳的其他作用等。這將能縮小板支持包(BSP)，并盡量減少驅動(dòng)程序中板和應用特定的#ifdef。至于哪些可調變量進(jìn)入platform_data，哪些應當在運行時(shí)具有訪(fǎng)問(wèn)權，則由驅動(dòng)程序的作者決定。

數字加速度計特性與應用具有非常密切的關(guān)系，不同的板和型號可能具有不同的特性。下例顯示了一組配置選項。這些變量在頭文件adxl34x.h(include/linux/input/adxl34x.h)中有詳細描述。

Analog Dialogue 44-03, March (2010)

#include linux/input/adxl34x.h>

static const struct adxl34x_platform_data

adxl34x_info={

.x_axis_offset=0,

.y_axis_offset=0,

.z_axis_offset=0,

.tap_threshold=0x31,

.tap_duration=0x10,

.tap_latency=0x60,

.tap_window=0xF0,

.tap_axis_control=ADXL_TAP_X_EN | ADXL_TAP_

Y_EN | ADXL_TAP_Z_EN,

.act_axis_control=0xFF,

.activity_threshold=5,

.inactivity_threshold=3,

.inactivity_time=4,

.free_fall_threshold=0x7,

.free_fall_time=0x20,

.data_rate=0x8,

.data_range=ADXL_FULL_RES,

.ev_type=EV_ABS,

.ev_code_x=ABS_X,/*EV_REL*/

.ev_code_y=ABS_Y,/*EV_REL*/

.ev_code_z=ABS_Z,/*EV_REL*/

.ev_code_tap={BTN_TOUCH,BTN_TOUCH,BTN_TOUCH},/*EV_KEY x,y,z */

.ev_code_ff=KEY_F,/* EV_KEY */

.ev_code_act_inactivity=KEY_A,/*EV_KEY*/

.power_mode=ADXL_AUTO_SLEEP|ADXL_LINK,

.fifo_mode=ADXL_FIFO_STREAM,

};

為將設備與驅動(dòng)程序相關(guān)聯(lián)，“平臺和總線(xiàn)模型”無(wú)需設備驅動(dòng)程序來(lái)包含其所控制設備的硬編碼物理地址或總線(xiàn)ID。平臺和總線(xiàn)模型還能防止資源沖突，大大改善便攜性，并與內核的電源管理特性干凈利落地接口。

利用平臺和總線(xiàn)模型，設備驅動(dòng)程序一旦獲得設備的物理位置和中斷線(xiàn)路，便知道如何控制設備。該信息在探測期間作為一個(gè)數據結構傳遞給驅動(dòng)程序。

與PCI或USB設備不同，I2C或SPI設備不會(huì )在硬件層次上進(jìn)行枚舉。相反，軟件必須知道每個(gè)I2C/SPI總線(xiàn)段上連接了哪些設備，以及這些設備使用什么地址。因此，內核代碼必須明確實(shí)例化I2C/SPI設備。這可以通過(guò)多種不同方法實(shí)現，具體取決于上下文和要求。不過(guò)，最常用的方法是通過(guò)總線(xiàn)號碼聲明I2C/SPI設備。

當I2C/SPI總線(xiàn)是一條系統總線(xiàn)時(shí)，這種方法是合適的；許多嵌入式系統正是這種情況，其中每條I2C/SPI總線(xiàn)都有一個(gè)事先已知的號碼。因此，可以預先聲明連到該總線(xiàn)的I2C/SPI設備。這可以利用一個(gè)結構體i2c_board_info/spi_board_info陣列來(lái)完成，該陣列通過(guò)調用以下內容注冊i2c_register_board_info()/spi_register_board_info()

static struct i2c_board_info __initdata bfin_ i2c_board_info[] = {#if defined(CONFIG_TOUCHSCREEN_AD7879_I2C)||defined(CONFIG_TOUCHSCREEN_AD7879_I2C_MODULE)

{

I2C_BOARD_INFO(ad7879,0x2F),

.irq=IRQ_PG5,

.platform_data=(void*)bfin_ad7879_ts_info,

},

#endif

#ifdefined(CONFIG_KEYBOARD_ADP5588)||defined(CONFIG_KEYBOARD_ADP5588_MODULE)

{

I2C_BOARD_INFO(adp5588-keys,0x34),

.irq=IRQ_PG0,

.platform_data=(void*)adp5588_kpad_data,

},

#endif

#ifdefined(CONFIG_PMIC_ADP5520)||defined(CONFIG_PMIC_ADP5520_MODULE)

{

I2C_BOARD_INFO(pmic-adp5520,0x32),

.irq=IRQ_PG0,

.platform_data=(void*)adp5520_pdev_data,

},

#endif

#ifefined(CONFIG_INPUT_ADXL34X_I2C)|| defined(CONFIG_INPUT_ADXL34X_I2C_MODULE)

{

I2C_BOARD_INFO(adxl34x, 0x53),

.irq = IRQ_PG0,

.platform_data = (void *)adxl34x_info,

},

#endif

};

static void __init blackfin_init(void)

{

(...)

i2c_register_board_info(0,bfin_i2c_board_info, ARRAY_SIZE(bfin_i2c_board_info));

spi_register_board_info(bfin_spi_board_info, ARRAY_SIZE(bfin_spi_board_info));

(...)

}

因此，為了啟用這樣一個(gè)驅動(dòng)程序，只需要編輯板支持文件，將適當的條目添加至i2c_board_info(spi_board_info)。

還應注意到，需在內核配置期間選擇驅動(dòng)程序。驅動(dòng)程序按照所屬的子系統分類(lèi)?？稍谝韵挛恢貌檎褹DXL34x驅動(dòng)程序：

Device Drivers--->

Input device support --->

[*] Miscellaneous devices --->

M>Analog Devices AD714x Capacitance Touch Sensor

M>support I2C bus connection

M>support SPI bus connection

*>Analog Devices ADXL34x Three-Axis

Digital Accelerometer

*>support I2C bus connection

*>support SPI bus connection

一旦用戶(hù)開(kāi)始內核構建過(guò)程，就會(huì )自動(dòng)編譯所選的驅動(dòng)程序。上面的代碼聲明I2C總線(xiàn)0上有四個(gè)設備，包括其各自的地址、IRQ以及其驅動(dòng)程序所需的定制platform_data。注冊相關(guān)I2C總線(xiàn)時(shí)，i2c-core內核子系統會(huì )自動(dòng)實(shí)例化這些I2C設備。

static struct i2c_driver adxl34x_driver = {

.driver={

.name=adxl34x,

.owner=THIS_MODULE,

},

.probe=adxl34x_i2c_probe,

.remove=__devexit_p(adxl34x_i2c_remove),

.suspend=adxl34x_suspend,

.resume=adxl34x_resume,

.id_table=adxl34x_id,

};

static int __init adxl34x_i2c_init(void)

{

return i2c_add_driver(adxl34x_driver);

}

module_init(adxl34x_i2c_init);

在內核啟動(dòng)的某一時(shí)間點(diǎn)，或者在其后的任何時(shí)候，一個(gè)名為adxl34x的設備驅動(dòng)程序可以利用struct i2c_driver注冊自己——通過(guò)調用i2c_add_driver()進(jìn)行注冊。struct i2c_driver的成員利用指向ADXL34x驅動(dòng)程序函數的指針進(jìn)行設置，將驅動(dòng)程序與其總線(xiàn)主控內核相連接。（宏module_init()定義模塊插入時(shí)調用哪個(gè)函數(adxl34x_ i2c_init())。）

如果存檔的驅動(dòng)程序名稱(chēng)與宏I2C_BOARD_INFO所提供的名稱(chēng)相符，i2c-core總線(xiàn)模型實(shí)現方法將調用驅動(dòng)程序的probe()函數，將相關(guān)的platform_data和irq從板支持文件傳遞到驅動(dòng)程序。這僅會(huì )在沒(méi)有追索沖突的情況下發(fā)生，例如前一實(shí)例化設備使用同一I2C從地址時(shí)。

adxl34x_i2c_probe()函數隨后開(kāi)始執行其名稱(chēng)所表示的功能。它通過(guò)讀取制造商和設備ID，檢查ADXL345或ADXL346是否存在以及是否正常工作。如果檢查成功，驅動(dòng)程序的探測函數將分配特定設備數據結構，請求中斷，并初始化加速度計。

然后利用input_allocate_device()分配新的輸入設備結構，并設置輸入位域。這樣，設備驅動(dòng)程序就告知輸入系統的其他部分這是何種設備，以及這種新的輸入設備能夠產(chǎn)生何種事件。最后，ADXL34x驅動(dòng)程序通過(guò)調用input_register_device()注冊該輸入設備。

這將把新的輸入設備結構添加到輸入驅動(dòng)程序的鏈接列表中，并調用設備處理程序模塊的連接函數，告知其已出現一個(gè)新的輸入設備。從此時(shí)起，該設備可以產(chǎn)生中斷。一旦執行中斷服務(wù)例程，就會(huì )從加速度計讀取狀態(tài)寄存器和事件FIFO，并利用nput_event()向輸入子系統發(fā)回適當的事件。