姓名：殷晨陽
轉載自電子發(fā)燒友論壇，有改動妓雾。
【嵌牛導讀】：在學習Linux系統(tǒng)的過程中娶吞，了解軟件需求將對系統(tǒng)軟硬件的作用和性質(zhì)以及代碼的構建有著很大的幫助。本文從軟件需求的角度介紹了Linux系統(tǒng)中的一些名詞械姻，并對其中的某些屬性做了較為詳細的闡述寝志。
【嵌牛鼻子】：軟件需求；Linux系統(tǒng)策添；總線；
【嵌牛提問】：Linux內(nèi)部的軟件需求會有哪些不同之處毫缆？
系統(tǒng)總線上的端口設備屬性應當如何定義唯竹？
【嵌牛正文】：
一、軟件苦丁、面向對象浸颓、軟件框架
軟件是為了解決現(xiàn)實問題而產(chǎn)生的，面向對象的軟件思維是解決普遍現(xiàn)實問題的一種有效的抽象方法旺拉，而軟件框架指的是用面向對象的思維去解決某種特定領域的問題而專門設計的一套行之有效的解決方案产上。
一般地，JAVA/C++編程反映面向對象的軟件思維蛾狗，而像Android Framework晋涣、Windows MFC和Linux的QT則代表應用層的軟件框架。前述應用框架要解決的問題包括應用消息處理沉桌、UI控件顯示和處理谢鹊、資源管理等等。軟件框架帶來的好處就是對于解決某個領域問題留凭，框架會幫你完成80%的開發(fā)工作量佃扼，而你只需要完成20%的開發(fā)工作量。
Linux平臺上的各個子系統(tǒng)蔼夜，如設備驅動模型兼耀、input子系統(tǒng)、I2C總線、frame buffer驅動等等都屬于軟件框架瘤运，它是針對特定的硬件體系需求以面向對象的思維去設計的一種軟件解決方案窍霞，而且已經(jīng)經(jīng)過長時間的多平臺驗證。嚴格意義上尽超，將子系統(tǒng)歸入軟件抽象組件會更加貼切官撼，而軟件框架表現(xiàn)為一組抽象組件及其組件實例之間的交互。軟件框架和軟件組件的特點都是解決特點領域問題似谁，可以高度重用設計傲绣。
Linux系統(tǒng)以C語言開發(fā)為主，C語言在教科書上會被認為是過程語言巩踏。事實上秃诵，面向對象只是一種軟件思維，并不局限于某種語言塞琼，只不過C++/JAVA在娘胎(編譯器)里就已經(jīng)得到支持菠净，而C語言通過struct數(shù)據(jù)結構和函數(shù)指針一樣可以出色地完成面向對象抽象的工作。Linux系統(tǒng)絕對是利用C語言進行面向對象編程的開山鼻祖彪杉，處處洋溢著軟件藝術的光輝毅往！
二、理解好軟件需求是學習好軟件框架的前提
對于學習者來說派近，軟件需求（即軟件要解決的問題）和軟件框架都已經(jīng)存在攀唯。但學習者往往只關注軟件框架，因為學習的終極目標也是為了掌握軟件框架并使用它來解決自己的問題渴丸。對于一般的知識傳播者來說（例如學校老師侯嘀、機構培訓師；教科書或者網(wǎng)絡文獻）谱轨，往往也是著重于解讀軟件框架的組成和原理戒幔。
事實上，對于一個代碼量有幾萬甚至幾十萬行代碼量的軟件框架土童，一開始接觸就學習原理和代碼并不是好事诗茎。這種做法很像是試圖從軟件框架的學習理解中得出軟件需求，有太多的未知就接觸源碼献汗，那理解過程會非常痛苦错沃，往往會感到非常迷惑。
我認為雀瓢，深入地理解好需求枢析，再去理解軟件框架會事半功倍。甚至刃麸，當達到一定的水平后醒叁，知道了需求，完全可以去猜測軟件框架的實現(xiàn)。
三把沼、Linux系統(tǒng)的軟件需求
對于軟件需求啊易，最容易讓人聯(lián)想到的是一種具體的業(yè)務需求，如12306購票業(yè)務等等饮睬。Linux是一種操作系統(tǒng)租谈，操作系統(tǒng)的軟件需求是什么？操作系統(tǒng)是為了給應用層提供良好的接口而進行總線設備驅動管理捆愁、內(nèi)存管理割去、文件管理、進程管理等等昼丑∩肽妫總線設備驅動管理就是我們今天要談的主題。Linux平臺有各種子系統(tǒng)菩帝、各種總線咖城、各種驅動，Linux系統(tǒng)對它們的管理就是軟件框架的組成呼奢。我們要理解好Linux已有的框架宜雀，就要清晰地知曉其解決的問題，也就是其管理了哪些硬件設備握础，這些硬件設備的特點是什么辐董，這些設備的訪問方式是什么。
可以說弓候，深入地理解硬件體系是理解好Linux總線設備驅動框架的前提！從面向對象的角度他匪，我們要弄清楚菇存，物理意義上的硬件是什么，而對應的軟件對象是如何表述的邦蜜。
以下闡述會重點講述軟件需求依鸥，作為以后分析框架的基礎。
四悼沈、總線贱迟、驅動、設備
1.總線
總線代表著同類設備需要共同遵守的工作時序絮供，不同的總線對于物理電平的要求是不一樣的衣吠，對于每個比特的電平維持寬度也是不一樣，而總線上傳遞的命令也會有自己的格式約束壤靶。如I2C總線缚俏、USB總線、PCI總線等等。以I2C總線為例忧换，在同一組I2C總線上連接著不同的I2C設備恬惯。
2.設備
設備代表真實的、具體的物理器件亚茬，在軟件上用器件的獨特的參數(shù)屬性來代表該器件酪耳。如I2C總線上連接的I2C從設備都有一個標識自己的設備地址，由這個設備地址來確定主設備發(fā)過來的命令是否該由它來響應刹缝。
3.驅動
驅動代表著操作設備的方式和流程碗暗。對于應用來說，應用程序open打開設備后赞草，接著就read訪問這個設備讹堤，驅動就是如何實現(xiàn)這個訪問的具體的過程。驅動主要包括兩部分厨疙，第一是通過對SOC的控制寄存器進行編程洲守，按總線要求輸出時序和命令，成功地與外圍設備進行交互沾凄；第二是對第一步中得到的數(shù)據(jù)進行處理梗醇，并向應用層提供特定格式的數(shù)據(jù)。
a.不同總線的設備的驅動過程是不一樣的撒蟀，這個很容易理解叙谨，USB鼠標的驅動和I2C EEPROM的讀時序肯定是不一樣的，訪問時序的產(chǎn)生和控制也是驅動的一部分保屯。
b.同種總線不同設備類型的設備驅動也是不一樣的制恍。如I2C電容屏設備，對于讀read來說就是在datasheet規(guī)定的地址上去讀觸摸點的X和Y坐標谤狡，而I2C EEPROM的讀操作是讀取存儲的內(nèi)容并蝗，兩種設備的datasheet是不一樣的，驅動自然是不一樣的切蟋。
c.同種總線的同類設備的設備驅動也可能是不一樣的统捶。例如對于觸摸屏，TSC2003只支持單點觸控柄粹，而FT5X06支持多點觸摸喘鸟。在獲取觸控坐標時，前者只需要獲得一個點的數(shù)據(jù)就返回驻右，而后者則需要先獲得當前有幾個點的數(shù)據(jù)什黑，然后再把所有點的坐標都讀出來。
在驅動的操作中堪夭，一般都會用到GPIO和中斷等硬件資源兑凿，如上圖的SDA和SCL會連接到SOC芯片的具體的兩個GPIO引腳凯力，而I2C讀寫時一般都采用中斷控制的方式（查詢讀寫是否完成比較低效，浪費CPU）礼华。如果我們在驅動中直接針對具體的引腳來編程咐鹤，那這個驅動的平臺可移植性就比較差，因為不同的產(chǎn)品設計可能引腳不一樣圣絮。所以祈惶，為了提高驅動的可移植性，Linux把驅動要用到的GPIO和中斷等資源剝離給設備去管理扮匠。即在設備里面包含其自己的設備屬性捧请，還包括了其連接到SOC所用到的資源。而驅動重點關注操作的流程和方法棒搜。
4.再談總線
第1點中談到的總線只是物理意義上的表述疹蛉，總線就是在行業(yè)中制定出標準，明確規(guī)定時序的格式力麸。我們在第3點中談到可款，在軟件層面上，時序的產(chǎn)生和控制由驅動負責克蚂。那我們要思考在軟件層面上闺鲸，總線的職責是什么？
總線在軟件層面主要是負責管理設備和驅動埃叭。
a.設備要讓系統(tǒng)感知自己的存在摸恍，設備需要向總線注冊自己；同樣地赤屋，驅動要讓系統(tǒng)感知自己的存在立镶，也需要向總線注冊自己。設備和總線在初始化時必須要明確自己是哪種總線的类早，I2C設備和驅動不能向USB總線注冊吧媚媒。
b.多個設備和多個驅動都注冊到同一個總線上，那設備怎么找到最適合自己的驅動呢莺奔，或者說驅動怎么找到其所支持的設備呢欣范？這個也是由總線負責变泄，總線就像是一個紅娘令哟，負責在設備和驅動中牽線。設備會向總線提出自己對驅動的條件（最簡單的也是最精確的就是指定對方的名字了）妨蛹，而驅動也會向總線告知自己能夠支持的設備的條件（一般是型號ID等屏富，最簡單的也可以是設備的名字）。那設備在注冊的時候蛙卤，總線就會遍歷注冊在它上面的驅動狠半，找到最適合這個設備的驅動噩死，然后填入設備的結構成員中；驅動注冊的時候神年，總線也會遍歷注冊在其之上的設備已维，找到其支持的設備（可以是多個，驅動和設備的關系是1:N）已日，并將設備填入驅動的支持列表中垛耳。我們稱總線這個牽線的行為是match。牽好線之后飘千，設備和驅動之間的交互紅娘可不管了堂鲜。
c.總線在匹配設備和驅動之后驅動要考慮一個這樣的問題，設備對應的軟件數(shù)據(jù)結構代表著靜態(tài)的信息护奈，真實的物理設備此時是否正常還不一定缔莲，因此驅動需要探測這個設備是否正常。我們稱這個行為為probe霉旗，至于如何探測痴奏，那是驅動才知道干的事情，總線只管吩咐得了奖慌。所以我們可以猜測在總線的管理代碼中會有這樣的邏輯：
if(match(device, driver) == OK)
driver->probe();
