Linux系统下程序内核与硬件的关系 - 编程语言应用

TUhjnbcbe - 2021/4/7 0:43:00

硬件与软件的关系

在任何一个计算机系统中，大至服务器、PC机、小至手机、mp3/mp4播放器，无论是复杂的大型服务器系统还是一个简单的流水灯单片机系统，都离不开驱动程序的身影，没有硬件的软件是空中楼阁，没有软件的硬件只是一堆废铁，硬件是底层的基础，是所有软件得以运行的平台，代码最终会落实到硬件上的逻辑组合。但是硬件与软件之间存在一个驳论：为了快速、优质的完成软件功能设计，应用程序工程师不想也不愿关心硬件，而硬件工程师也很难有功夫去处理软件开发中的一些应用。

驱动程序

例如软件工程师在调用printf的时候，不许也不用关心信息到底是通过什么样的处理，走过哪些通路显示在该显示的地方，硬件工程师在写完了一个4*4键盘驱动后，无需也不必管应用程序在获得键值后做哪些处理及操作。
　　也就是说软件工程师需要看到一个没有硬件的纯软件世界，硬件必须透明的提供给他，谁来实现这一任务？答案是驱动程序，驱动程序从字面解释就是：“驱使硬件设备行动”。驱动程序直接与硬件打交道，按照硬件设备的具体形式，驱动设备的寄存器，完成设备的轮询、中断处理、DMA通信，最终让通信设备可以收发数据，让显示设备能够显示文字和画面，让音频设备可以完成声音的存储和播放。
　　可见，设备驱动程序充当了硬件和软件之间的枢纽，因此驱动程序的表现形式可能就是一些标准的、事先协定好的API函数，驱动工程师只需要去完成相应函数的填充，应用工程师只需要调用相应的接口完成相应的功能。无论有没有操作系统，驱动程序都有其存在价值，只是在裸机情况下，工作环境比较简单、完成的工作较单一，驱动程序完成的功能也就比较简单，同时接口只要在小范围内符合统一的标准即可。

Linux操作系统

但是在有操作系统的情况下，此问题就会被放大：硬件来自不同的公司、千变万化，全世界每天都会有大量的新芯片被生产，大量的电路板被设计出来，如果没有一个很好的统一标准去规范这一程序，操作系统就会被设计的非常冗余，效率会非常低。
　　所以无论任何操作系统都会制定一套标准的架构去管理这些驱动程序：linux作为嵌入式操作系统的典范，其驱动架构具有很高的规范性与聚合性，不但把不同的硬件设备分门别类、综合管理，并且针对不同硬件的共性进行了统一抽象，将其硬件相关性降到最低，大大简化了驱动程序的编写，形成了具有其特色的驱动组织架构。
　　下图反映了应用程序、linux内核、驱动程序、硬件的关系。
　　linux内核分为5大部分：多任务管理、内存管理、文件系统管理、设备管理、网络管理——每一部分都有承上下的作用，对上提供API接口，提供给应用开发工程师使用，对下通过驱动程序屏蔽不同的硬件构成，完成硬件的具体操作。

Linux软件工程师

目前，Linux软件工程师大致可分为两个层次：1.Linux应用软件工程师(ApplicationSoftwareEngineer)——主要利用C库函数和LinuxAPI进行应用软件的编写。从事这方面的开发工作，主要需要学习：

符合linuxposix标准的API函数及系统调用

linux的多任务编程技巧：多进程、多线程、进程间通信、多任务之间的同步互斥等

嵌入式数据库的学习

UI编程：QT、miniGUI等

　　2.Linux固件工程师(FirmwareEngineer)：主要进行Bootloader、Linux的移植及Linux设备驱动程序的设计工作。一般而言，固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次，而其中的Linux设备驱动编程又是Linux程序设计中比较复杂的部分，究其原因，主要包括如下几个方面：

设备驱动属于Linux内核的部分，编写Linux设备驱动需要有一定的Linux操作系统内核基础，需要了解部分linux内核的工作机制与系统组成

编写Linux设备驱动需要对硬件的原理有相当的了解，大多数情况下我们是针对一个特定的嵌入式硬件平台编写驱动的，例如：针对特定的主机平台：可能是三星的、，也可能是atmel的，或者飞思卡尔的等等

Linux设备驱动中广泛涉及到多进程并发的同步、互斥等控制，容易出现bug，因为linux本身是一个多任务的工作环境，不可避免的会出现在同一时刻对同一设备发生并发操作

由于属于内核的一部分，Linux设备驱动的调试也相当复杂。linux设备驱动没有一个很好的IDE环境进行单步、变量查看等调试辅助工具，inux驱动跟linux内核工作在同一层次，一旦发生问题，很容易造成内核的整体崩溃。

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