關(guān)注自由和開源軟件

為什么關(guān)注“自由和開源軟件”？使用自由和開源軟件 (FOSS)群體的迅速擴增，從1980年以來，體現(xiàn)了嵌入式行業(yè)最重要的全面長期發(fā)展趨勢。第一，獲得 FOSS軟件許可，就可以使用源代碼，同時還賦予開發(fā)人員研究、變更、改進軟件設(shè)計的權(quán)利。第二，在每一類主要軟件的生命周期中，F(xiàn)OSS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和開發(fā)人員對于軟件價值主張的看法。因此，大部分嵌入式開發(fā)人員或早或晚都會在設(shè)計中使用FOSS。

什么是FOSS

“自由軟件”與“開源軟件”的主要區(qū)別在于其內(nèi)含的自由概念不同。“自由軟件”許可尊重最終用戶的幾項基本自由：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；改進程序和發(fā)布這些改進的自由可以自由地做這些事情，意味著您不必征求許可或者支付費用獲得許可，這是一個關(guān)于自由的問題，而非商業(yè)問題，因此應(yīng)理解為“言論自由，而不是免費啤酒”。

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

另一方面，“開源軟件”并非始終賦予最終用戶同樣的自由，但它賦予“開發(fā)人員”訪問源代碼等權(quán)利。4種開源許可都允許開發(fā)人員創(chuàng)建專有閉源軟件，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，它允許以二進制形式再分發(fā)軟件，無需提供源代碼。

在現(xiàn)實世界中，閉源或?qū)Ｓ熊浖cFOSS主要區(qū)別在于大眾協(xié)作開發(fā)的性質(zhì)不同，前者大家都獨立開發(fā)各自的項目，而后者任何用戶都可能成為開發(fā)人員，報告并修正缺陷，或者增加新特性。

FOSS受到嵌入式市場歡迎的原因很簡單，主要是經(jīng)濟利益驅(qū)動，它能降低軟件成本，加快產(chǎn)品上市。FOSS將“自主開發(fā)”的開發(fā)人員變?yōu)橄到y(tǒng)集成者，使其能專注于產(chǎn)品增值和與眾不同的特性，而不是一次次重復(fù)產(chǎn)生相同的基本結(jié)構(gòu)和功能。這是控制軟件開發(fā)成本的唯一行之有效的方法。無論何種組織機構(gòu)，總會處于采用開源軟件五個階段中的某一階段。

表1:采用FOSS的五個階段

雖然許多人將FOSS等同于著名的Linux®內(nèi)核或者基于Linux的發(fā)行版，但在嵌入式開發(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，涉及到成千上萬個項目。然而，隨著基于Linux的嵌入式系統(tǒng)越來越受歡迎，為嵌入式外設(shè)（ADC、DAC、音頻編解碼器、加速度計、觸摸屏控制器等）提供Linux驅(qū)動程序的需求變得日益迫切。

ADI公司創(chuàng)建、修改和維護的驅(qū)動程序的各層：

•在何處進行維護（驅(qū)動程序的下載位置）

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

•驅(qū)動程序開發(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——如何提交缺陷和問題報告

Linux設(shè)備驅(qū)動程序

多數(shù)Linux用戶都樂于不知道Linux內(nèi)核所涉及的底層硬件復(fù)雜性和問題，往往會吃驚地發(fā)現(xiàn)內(nèi)核大部分都與運行于其上的硬件無關(guān)。事實上，Linux內(nèi)核中的多數(shù)源代碼都與獨立于架構(gòu)的設(shè)備驅(qū)動程序有關(guān)：在Linux2.6.32.6內(nèi)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(gòu)有關(guān)的代碼只占Linux內(nèi)核的很小一部分，全部22種不同架構(gòu)僅有1 501 545行代碼（18.9%）。Linux內(nèi)核支持的前10大架構(gòu)如表2所示。

表2:Linux內(nèi)核支持的前10大架構(gòu)

這說明，與架構(gòu)無關(guān)約占內(nèi)核源代碼的60%的驅(qū)動程序具有舉足輕重的作用。對于每種支持Linux的硬件，都有人編寫過設(shè)備驅(qū)動程序。自2007年以來，ADI公司一直位列為Linux內(nèi)核10貢獻代碼最多的20家公司之一，并設(shè)立了專職團隊從事Linux設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)。

Linux設(shè)備驅(qū)動程序的基本知識

設(shè)備驅(qū)動程序用作硬件與使用硬件的應(yīng)用程序（用戶代碼）或內(nèi)核之間的轉(zhuǎn)譯器，它將硬件的工作細節(jié)隱藏于幕后，從而起到簡化編程的作用。編程人員可以利用一套標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)用方法（系統(tǒng)調(diào)用）編寫高級應(yīng)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(nèi)部應(yīng)用程序編程接口（內(nèi)核API），應(yīng)用程序代碼便可以通過與軟件上層結(jié)構(gòu)或底層硬件無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)方式與設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)接口。

針對特定處理器平臺，操作系統(tǒng)(OS)處理硬件操作的細節(jié)。利用內(nèi)核(OS)內(nèi)部硬件抽象層(HAL)和處理器專用外設(shè)驅(qū)動程序（例如I2C®SPI總線驅(qū)動程序），通常的設(shè)備驅(qū)動程序甚至也能獨立處理器平臺。這種方法允許一個設(shè)備驅(qū)動程序（例如觸摸屏數(shù)字化儀AD7879的驅(qū)動程序）可以不加修改地用在任何運行Linux的處理器平臺上，Linux內(nèi)核之上運行任何圖形用戶界面(GUI)包和適當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序。如果硬件設(shè)計人員決定轉(zhuǎn)而使用觸摸屏控制器AD7877，他（她）將無需軟件團隊提供信息。兩款器件均可用驅(qū)動程序；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代碼的內(nèi)核API完全相同。這樣，對硬件的控制權(quán)便又回到硬件架構(gòu)師手中。

Linux內(nèi)核中的不同類型設(shè)備驅(qū)動程序提供不同的抽象層次，傳統(tǒng)上一般將其分為以下三類。

字符設(shè)備：處理字節(jié)流。串行端口或輸入設(shè)備驅(qū)動程序（鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、游戲操縱桿等）通常實現(xiàn)字符設(shè)備類型。

塊數(shù)據(jù)設(shè)備：單次操作處理512字節(jié)或更多的二次冪塊數(shù)據(jù)。存儲設(shè)備驅(qū)動程序通常實現(xiàn)此類塊設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)接口：任何網(wǎng)絡(luò)事務(wù)都通過接口完成，接口指能夠與其他主機交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。

在Linux內(nèi)核中，各特殊類別都可能有多個獨立的設(shè)備核心層，以幫助開發(fā)人員實現(xiàn)提供標(biāo)準(zhǔn)用途的驅(qū)動程序，如視頻、音頻、網(wǎng)絡(luò)、輸入設(shè)備或背光處理等。通常，每個子系統(tǒng)在Linux內(nèi)核源代碼樹中都有其自己的目錄。這種“設(shè)備驅(qū)動程序核心方法”消除了特定類別所有設(shè)備驅(qū)動程序的公共代碼，為上層構(gòu)建了一個標(biāo)準(zhǔn)接口。每類設(shè)備或總線設(shè)備核心驅(qū)動程序通常會將一個函數(shù)集導(dǎo)出至其子類。驅(qū)動程序利用這種核心驅(qū)動程序注冊，并使用核心驅(qū)動程序所導(dǎo)出的API，而不是注冊其自己的字符/塊/網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。這通常包括支持和處理多個實例以及在層間分配數(shù)據(jù)的方式。絕大部分系統(tǒng)無意了解設(shè)備如何連接，但需要知道何種設(shè)備可用。Linux設(shè)備模型也包括一種將設(shè)備指派給特定類別的機制，如input（輸入）、RTC（實時時鐘）、net（網(wǎng)絡(luò)）或GPIO（通用輸入/輸出）等。這些類名在更高的功能層次描述設(shè)備，使之能在用戶空間中被發(fā)現(xiàn)。

特定硬件可能有多個設(shè)備驅(qū)動程序子系統(tǒng)與之相關(guān)。多功能芯片，例如帶I/O擴展器的背光驅(qū)動器ADP5520，會同時利用Linux背光、LED、GPIO和輸入子系統(tǒng)來實現(xiàn)其鍵盤功能。

如前文所述，用戶應(yīng)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(quán)限，例如執(zhí)行特殊指令或處理中斷。使用特定硬件設(shè)備的應(yīng)用程序通常在通過/dev目錄中的節(jié)點暴露的內(nèi)核驅(qū)動程序上工作。

設(shè)備節(jié)點稱為偽文件，因為它們看起來像文件；應(yīng)用程序也可以打開或關(guān)閉它們（open()或close()），但在讀取或?qū)懭脒@些文件時，數(shù)據(jù)來自或傳遞至設(shè)備節(jié)點相關(guān)的驅(qū)動程序。這個抽象層次由Linux內(nèi)核中的虛擬文件系統(tǒng)(VFS)處理。除了read()、write()或poll()外，用戶應(yīng)用程序也可以利用ioctl()（輸入/輸出控制）與設(shè)備交互。

除設(shè)備節(jié)點外，應(yīng)用程序也可以利用/sys目錄中的文件條目；這是一個sysfs虛擬文件系統(tǒng)，可將有關(guān)設(shè)備和驅(qū)動程序的信息，包括父子關(guān)系或與特定類、總線的關(guān)聯(lián)，從內(nèi)核設(shè)備模型導(dǎo)出至用戶空間。/sys也頻繁用于設(shè)備配置，特別是當(dāng)相關(guān)驅(qū)動程序以一個設(shè)備驅(qū)動程序核心注冊時，此時它只將其標(biāo)準(zhǔn)功能集導(dǎo)出給用戶。

設(shè)備驅(qū)動程序可以注冊/sys“鉤子”或“條目”；讀取或?qū)懭脬^子或條目時，將執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動程序?qū)ｉT注冊的回調(diào)函數(shù)。這些回調(diào)函數(shù)（在管理員模式下運行）可以接受參數(shù)、發(fā)起總線傳輸、調(diào)用某種處理、修改特定設(shè)備變量，并將整數(shù)值或字符串返回給用戶。這就為實現(xiàn)其他功能創(chuàng)造了條件；例如，用戶空間可以使用觸摸屏數(shù)字化儀AD7877的溫度傳感器或輔助ADC。

設(shè)備驅(qū)動程序既可以靜態(tài)地構(gòu)建于內(nèi)核中，也可以在以后作為可加載模塊動態(tài)安裝。Linux內(nèi)核模塊(LKM)是動態(tài)組件，可以在運行時插入和移除。這對于驅(qū)動程序開發(fā)人員特別有用，因為更快的編譯速度可以節(jié)省時間，而且測試模塊不必重啟系統(tǒng)。讓硬件驅(qū)動程序駐留在可以隨時載入內(nèi)核的模塊中，便可以在特定硬件不用時節(jié)約RAM。

加載模塊時，也可以賦予其配置參數(shù)。對于構(gòu)建于內(nèi)核中的模塊，參數(shù)在內(nèi)核啟動時傳送給該模塊。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(qū)動程序也可以多次實例化，每次實例化都可以采用不同的設(shè)置，目標(biāo)設(shè)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。所有實例共用同樣的代碼，以便節(jié)省存儲器，但具有各自的數(shù)據(jù)段。

Linux是一種先占式多任務(wù)、多用戶操作系統(tǒng)，因此幾乎所有設(shè)備驅(qū)動程序和內(nèi)核子系統(tǒng)都允許多個進程（可能由不同的用戶所有）同時利用設(shè)備。常見的例子有network（網(wǎng)絡(luò)）、audio（音頻）或input（輸入）接口。QWERTY鍵盤控制器ADP5588的鍵按下或釋放事件會被加上時間戳、排隊并發(fā)送至所有已打開input vent device（輸入事件設(shè)備）的進程。這些事件代碼在所有架構(gòu)上都相同，并且與硬件無關(guān)。讀USB鍵盤與從用戶空間讀取ADP5588并無區(qū)別。事件類型通過代碼加以區(qū)分。鍵盤發(fā)送鍵事件(EV_KEY)、鍵識別碼以及代表按下或釋放動作的某種狀態(tài)值。觸摸屏發(fā)送絕對坐標(biāo)事件(EV_ABS)以及由x、y和觸摸壓力組成的一個三元組，鼠標(biāo)則發(fā)送相對運動事件(EV_REL)。加速度計ADXL346在發(fā)送關(guān)于加速度的絕對坐標(biāo)事件的同時，可以發(fā)送關(guān)于單振或雙振的鍵事件。

某些應(yīng)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(yīng)用設(shè)置），也很有意義。一般而言，定制驅(qū)動程序有兩種方式：運行時或編譯時。

可能在運行時進行定制的設(shè)備特性使用模塊參數(shù)和或/sys條目。

實現(xiàn)特定目標(biāo)

使用開源Linux驅(qū)動程序—通過定制實現(xiàn)特定目標(biāo)，對于編譯時配置，將特定板和特定應(yīng)用配置排除在主驅(qū)動程序文件之外是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(shè)備（這是嵌入式和基于SoC片上系統(tǒng)硬件的典型現(xiàn)象），Linux使用platform_data指向描述設(shè)備及其如何連到SoC的特定板結(jié)構(gòu)。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(qū)動程序中板和應(yīng)用特定的#ifdef。至于哪些可調(diào)變量進入platform_data，哪些應(yīng)當(dāng)在運行時具有訪問權(quán)，則由驅(qū)動程序的作者決定。

數(shù)字加速度計特性與應(yīng)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(shè)備與驅(qū)動程序相關(guān)聯(lián)，“平臺和總線模型”無需設(shè)備驅(qū)動程序來包含其所控制設(shè)備的硬編碼物理地址或總線ID。平臺和總線模型還能防止資源沖突，大大改善便攜性，并與內(nèi)核的電源管理特性干凈利落地接口。

利用平臺和總線模型，設(shè)備驅(qū)動程序一旦獲得設(shè)備的物理位置和中斷線路，便知道如何控制設(shè)備。該信息在探測期間作為一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳遞給驅(qū)動程序。

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

當(dāng)I2C/SPI總線是一條系統(tǒng)總線時，這種方法是合適的；許多嵌入式系統(tǒng)正是這種情況，其中每條I2C/SPI總線都有一個事先已知的號碼。因此，可以預(yù)先聲明連到該總線的I2C/SPI設(shè)備。這可以利用一個結(jié)構(gòu)體i2c_board_info/spi_board_info陣列來完成，該陣列通過調(diào)用以下內(nèi)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，為了啟用這樣一個驅(qū)動程序，只需要編輯板支持文件，將適當(dāng)?shù)臈l目添加至i2c_board_info(spi_board_info)。

還應(yīng)注意到，需在內(nèi)核配置期間選擇驅(qū)動程序。驅(qū)動程序按照所屬的子系統(tǒng)分類?？稍谝韵挛恢貌檎褹DXL34x驅(qū)動程序：

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

一旦用戶開始內(nèi)核構(gòu)建過程，就會自動編譯所選的驅(qū)動程序。上面的代碼聲明I2C總線0上有四個設(shè)備，包括其各自的地址、IRQ以及其驅(qū)動程序所需的定制platform_data。注冊相關(guān)I2C總線時，i2c-core內(nèi)核子系統(tǒng)會自動實例化這些I2C設(shè)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(nèi)核啟動的某一時間點，或者在其后的任何時候，一個名為adxl34x的設(shè)備驅(qū)動程序可以利用struct i2c_driver注冊自己——通過調(diào)用i2c_add_driver()進行注冊。struct i2c_driver的成員利用指向ADXL34x驅(qū)動程序函數(shù)的指針進行設(shè)置，將驅(qū)動程序與其總線主控內(nèi)核相連接。（宏module_init()定義模塊插入時調(diào)用哪個函數(shù)(adxl34x_ i2c_init())。）

如果存檔的驅(qū)動程序名稱與宏I2C_BOARD_INFO所提供的名稱相符，i2c-core總線模型實現(xiàn)方法將調(diào)用驅(qū)動程序的probe()函數(shù)，將相關(guān)的platform_data和irq從板支持文件傳遞到驅(qū)動程序。這僅會在沒有追索沖突的情況下發(fā)生，例如前一實例化設(shè)備使用同一I2C從地址時。

adxl34x_i2c_probe()函數(shù)隨后開始執(zhí)行其名稱所表示的功能。它通過讀取制造商和設(shè)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(qū)動程序的探測函數(shù)將分配特定設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(shè)備結(jié)構(gòu)，并設(shè)置輸入位域。這樣，設(shè)備驅(qū)動程序就告知輸入系統(tǒng)的其他部分這是何種設(shè)備，以及這種新的輸入設(shè)備能夠產(chǎn)生何種事件。最后，ADXL34x驅(qū)動程序通過調(diào)用input_register_device()注冊該輸入設(shè)備。

這將把新的輸入設(shè)備結(jié)構(gòu)添加到輸入驅(qū)動程序的鏈接列表中，并調(diào)用設(shè)備處理程序模塊的連接函數(shù)，告知其已出現(xiàn)一個新的輸入設(shè)備。從此時起，該設(shè)備可以產(chǎn)生中斷。一旦執(zhí)行中斷服務(wù)例程，就會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(tǒng)發(fā)回適當(dāng)?shù)氖录?/p>