嵌入式中，有無(wú)操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的不同解析

一、驅(qū)動(dòng)的作用

任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行都是系統(tǒng)中軟硬件協(xié)作的結(jié)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(chǔ)，是所有軟件得以運(yùn)行的平臺(tái)，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(xiàn)了具體應(yīng)用，它按照各種不同的業(yè)務(wù)需求而設(shè)計(jì)，滿足了用戶的需求。硬件較固定，軟件則很靈活，可以適應(yīng)各種復(fù)雜多變的應(yīng)用。可以說(shuō)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件互相成就了對(duì)方。

但是，軟硬件之間同樣存在著悖論，那就是軟件和硬件不應(yīng)該互相滲透到對(duì)方的領(lǐng)地。為了盡可能快速地完成設(shè)計(jì)，應(yīng)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(yīng)用軟件工程師在調(diào)用套接字發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的時(shí)候，他不必關(guān)心網(wǎng)卡上的中斷、寄存器、存儲(chǔ)空間、I/O端口、片選以及其他任何硬件詞匯；在使用printf()函數(shù)輸出信息的時(shí)候，他不用知道底層究竟是怎樣把相應(yīng)的信息輸出到屏幕或串口。

也就是說(shuō)，應(yīng)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(xiàn)給他們。誰(shuí)來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件對(duì)應(yīng)用軟件工程師的隱形？這個(gè)艱巨的任務(wù)就落在了驅(qū)動(dòng)工程師的頭上。

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

由此可見(jiàn)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)充當(dāng)了硬件和應(yīng)用軟件之間的紐帶，它使得應(yīng)用軟件只需要調(diào)用系統(tǒng)軟件的應(yīng)用編程接口（API）就可讓硬件去完成要求的工作。在系統(tǒng)中沒(méi)有操作系統(tǒng)的情況下，工程師可以根據(jù)硬件設(shè)備的特點(diǎn)自行定義接口，如對(duì)串口定義SerialSend()、SerialRecv()；對(duì) LED 定義LightOn()、LightOff()；以及對(duì) Flash 定義FlashWrite()、FlashRead()等。而在有操作系統(tǒng)的情況下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)則由相應(yīng)的操作系統(tǒng)定義，驅(qū)動(dòng)工程師必須按照相應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這樣，設(shè)備驅(qū)動(dòng)才能良好地整合到操作系統(tǒng)的內(nèi)核中。

驅(qū)動(dòng)程序溝通著硬件和應(yīng)用軟件，而驅(qū)動(dòng)工程師則溝通著硬件工程師和應(yīng)用軟件工程師。隨著通信、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(shè)計(jì)，因此，也會(huì)有大量設(shè)備驅(qū)動(dòng)需要開(kāi)發(fā)。這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)，或運(yùn)行在簡(jiǎn)單的單任務(wù)環(huán)境中，或運(yùn)行在 VxWorks、Linux、Windows等多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境中，發(fā)揮著不可替代的作用。

二、有無(wú)操作系統(tǒng)的區(qū)別

1）無(wú)操作系統(tǒng)（即裸機(jī)）時(shí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)

并不是任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都一定要運(yùn)行操作系統(tǒng)，在許多情況下操作系統(tǒng)是不要的。對(duì)于功能比較單一、控制并不復(fù)雜的系統(tǒng)，如公交車刷卡機(jī)、電冰箱、微波、簡(jiǎn)單的手機(jī)和小靈通等，并不需要多任務(wù)調(diào)度、文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理等復(fù)雜功能，單任務(wù)架構(gòu)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(duì)設(shè)備中斷的檢測(cè)或者對(duì)設(shè)備的輪詢是這種系統(tǒng)中軟件的典型架構(gòu)。裸機(jī)的實(shí)現(xiàn)就有點(diǎn)類似單片機(jī)（MCU）了，盡管單片機(jī)的寄存器沒(méi)有那么的多，如果會(huì)裸機(jī)驅(qū)動(dòng)，我想，應(yīng)該能勝任單片機(jī)的工作了，呵呵。

在這樣的系統(tǒng)中，雖然不存在操作系統(tǒng)，但是設(shè)備驅(qū)動(dòng)是必須存在的。一般情況下，對(duì)每一種設(shè)備驅(qū)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(shè)備驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并聲明外部函數(shù)，后者進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)的具體實(shí)現(xiàn)。書(shū)中例舉了一個(gè)串口驅(qū)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(shù)實(shí)現(xiàn)的，比如串口的寫(xiě)（發(fā)）SerialSend 函數(shù)等。

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

由此可見(jiàn)，在沒(méi)有操作系統(tǒng)的情況下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口被直接提交給了應(yīng)用軟件工程師， 應(yīng)用軟件沒(méi)有跨越任何層次就直接訪問(wèn)了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)包含的接口函數(shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)成設(shè)備驅(qū)動(dòng)和具體的應(yīng)用軟件模塊處于同一層次（即應(yīng)用程序也在比如serial.c中實(shí)現(xiàn)），這顯然是不合理的，不符合軟件設(shè)計(jì)中高內(nèi)聚低耦合的要求。

另一種不合理的設(shè)計(jì)是直接在應(yīng)用中操作硬件的寄存器（單獨(dú)一個(gè)main.c，所有功能都在一個(gè)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，不采用其他任何接口/函數(shù)），而不單獨(dú)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊，這種設(shè)計(jì)意味著系統(tǒng)中不存在或未能充分利用可被重用的驅(qū)動(dòng)代碼。

2）有操作系統(tǒng)時(shí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)

無(wú)操作系統(tǒng)時(shí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)直接運(yùn)行在硬件之上，不與任何操作系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。當(dāng)系統(tǒng)中包含操作系統(tǒng)后，設(shè)備驅(qū)動(dòng)會(huì)變得怎樣？

首先，無(wú)操作系統(tǒng)時(shí)設(shè)備驅(qū)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(shè)備驅(qū)動(dòng)不可能與硬件打交道。

其次，我們還需要將設(shè)備驅(qū)動(dòng)融入內(nèi)核。為了實(shí)現(xiàn)這種融合，必須在所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)中設(shè)計(jì)面向操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口，這樣的接口由操作系統(tǒng)規(guī)定，對(duì)一類設(shè)備而言結(jié)構(gòu)一致，獨(dú)立于具體的設(shè)備。

由此可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)中存在操作系統(tǒng)的時(shí)候，設(shè)備驅(qū)動(dòng)變成了連接硬件和內(nèi)核的橋梁。操作系統(tǒng)的存在勢(shì)必要求設(shè)備驅(qū)動(dòng)附加更多的代碼和功能（以我看，主要是提供了很多結(jié)構(gòu)），把單一的“驅(qū)使硬件設(shè)備行動(dòng)”變成了操作系統(tǒng)內(nèi)與硬件交互的模塊，它對(duì)外呈現(xiàn)為操作系統(tǒng)的API，不再給應(yīng)用軟件工程師直接提供接口。有了操作系統(tǒng)之后，設(shè)備驅(qū)動(dòng)反而變得復(fù)雜，那要操作系統(tǒng)干什么？

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

其次，操作系統(tǒng)給我們提供內(nèi)存管理機(jī)制。一個(gè)典型的例子是，對(duì)于多數(shù)含 MMU的處理器而言，Windows、Linux 等操作系統(tǒng)可以讓每個(gè)進(jìn)程都獨(dú)立地訪問(wèn) 4GB的內(nèi)存空間。

上述優(yōu)點(diǎn)似乎并沒(méi)有體現(xiàn)在設(shè)備驅(qū)動(dòng)身上，操作系統(tǒng)的存在給設(shè)備驅(qū)動(dòng)究竟帶來(lái)了什么好處呢？

簡(jiǎn)而言之，操作系統(tǒng)通過(guò)給設(shè)備驅(qū)動(dòng)制造麻煩來(lái)達(dá)到給上層應(yīng)用提供便利的目的。如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)都按照操作系統(tǒng)給出的獨(dú)立于設(shè)備的接口而設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序?qū)⒖墒褂媒y(tǒng)一的系統(tǒng)調(diào)用接口來(lái)訪問(wèn)各種設(shè)備。對(duì)于類UNIX的VxWorks、Linux等操作系統(tǒng)而言，應(yīng)用程序通過(guò)write()、read()等函數(shù)讀寫(xiě)文件就可以訪問(wèn)各種字符設(shè)備和塊設(shè)備，而不用管設(shè)備的具體類型和工作方式，是非常方便的。

不管有無(wú)操作系統(tǒng)，不管是SerialSend，或者write，訪問(wèn)設(shè)備都需要對(duì)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(jié)點(diǎn)，我們可以通過(guò)ioctl函數(shù)對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，當(dāng)然，write、read更為直接咯。而上層的應(yīng)用可以對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行封裝，定義不同的接口，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。