大神講解！談談設備驅動的作用，有無操作系統(tǒng)Linux設備驅動有何區(qū)別？

技術小白

一、驅動的作用

任何一個計算機系統(tǒng)的運行都是系統(tǒng)中軟硬件協(xié)作的結果，沒有硬件的軟件是空中樓閣，而沒有軟件的硬件則只是一堆廢鐵。硬件是底層基礎，是所有軟件得以運行的平臺，代

碼最終會落實為硬件上的組合邏輯與時序邏輯；軟件則實現(xiàn)了具體應用，它按照各種不同的業(yè)務需求而設計，滿足了用戶的需求。硬件較固定，軟件則很靈活，可以適應各種復

雜多變的應用。可以說，計算機系統(tǒng)的軟硬件互相成就了對方。

但是，軟硬件之間同樣存在著悖論，那就是軟件和硬件不應該互相滲透到對方的領地。為了盡可能快速地完成設計，應用軟件工程師不想也不必關心硬件，而硬件工程師也難有

足夠的閑暇和能力來顧及軟件。例如，應用軟件工程師在調用套接字發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的時候，他不必關心網(wǎng)卡上的中斷、寄存器、存儲空間、I/O端口、片選以及其他任何硬

件詞匯；在使用printf()函數(shù)輸出信息的時候，他不用知道底層究竟是怎樣把相應的信息輸出到屏幕或串口。

也就是說，應用軟件工程師需要看到一個沒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。誰來實現(xiàn)硬件對應用軟件工程師的隱形？這個艱巨的任務就落在了驅動工

程師的頭上。

對設備驅動最通俗的解釋就是“驅使硬件設備行動” 。設備驅動與底層硬件直接打交道，按照硬件設備的具體工作方式讀寫設備寄存器，完成設備的輪詢、中斷處理、DMA通

信，進行物理內存向虛擬內存的映射，最終使通信設備能夠收發(fā)數(shù)據(jù)，使顯示設備能夠顯示文字和畫面，使存儲設備能夠記錄文件和數(shù)據(jù)。

由此可見，設備驅動充當了硬件和應用軟件之間的紐帶，它使得應用軟件只需要調用系統(tǒng)軟件的應用編程接口（API）就可讓硬件去完成要求的工作。在系統(tǒng)中沒有操作系統(tǒng)的

情況下，工程師可以根據(jù)硬件設備的特點自行定義接口，如對串口定義SerialSend()、SerialRecv()；對 LED 定義LightOn()、LightOff()；以及對 Flash 定義FlashWrite()、

FlashRead()等。而在有操作系統(tǒng)的情況下，設備驅動的架構則由相應的操作系統(tǒng)定義，驅動工程師必須按照相應的架構設計設備驅動，這樣，設備驅動才能良好地整合到操作

系統(tǒng)的內核中。

驅動程序溝通著硬件和應用軟件，而驅動工程師則溝通著硬件工程師和應用軟件工程師。隨著通信、電子行業(yè)的迅速發(fā)展，全世界每天都會有大量的新芯片被生產(chǎn)，大量的新電

路板被設計，因此，也會有大量設備驅動需要開發(fā)。這些設備驅動，或運行在簡單的單任務環(huán)境中，或運行在 VxWorks、Linux、Windows等多任務操作系統(tǒng)環(huán)境中，發(fā)揮著

不可替代的作用。

二、有無操作系統(tǒng)的區(qū)別
1）無操作系統(tǒng)（即裸機）時的設備驅動
并不是任何一個計算機系統(tǒng)都一定要運行操作系統(tǒng)，在許多情況下操作系統(tǒng)是不要的。對于功能比較單一、控制并不復雜的系統(tǒng)，如公交車刷卡機、電冰箱、微波、簡單的手機

和小靈通等，并不需要多任務調度、文件系統(tǒng)、內存管理等復雜功能，單任務架構完全可以很好地支持它們的工作。一個無限循環(huán)中夾雜對設備中斷的檢測或者對設備的輪詢是

這種系統(tǒng)中軟件的典型架構。裸機的實現(xiàn)就有點類似單片機（MCU）了，盡管單片機的寄存器沒有那么的多，如果會裸機驅動，我想，應該能勝任單片機的工作了，呵呵。

在這樣的系統(tǒng)中，雖然不存在操作系統(tǒng)，但是設備驅動是必須存在的。一般情況下，對每一種設備驅動都會定義為一個軟件模塊，包含.h文件和.c文件，前者定義該設備驅動的

數(shù)據(jù)結構并聲明外部函數(shù)，后者進行設備驅動的具體實現(xiàn)。書中例舉了一個串口驅動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）寄存器，

而這幾個配置都是自定義函數(shù)實現(xiàn)的，比如串口的寫（發(fā)）SerialSend 函數(shù)等。

其他模塊需要使用這個設備的時候，只需要包含設備驅動的頭文件 serial.h，然后調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，在沒有操作系統(tǒng)的情況下，設備驅動的接口被直接提交給了應用軟件工程師， 應用軟件沒有跨越任何層次就直接訪問了設備驅動的接口。 設備驅動包含的接口函數(shù)

也與硬件的功能直接吻合， 沒有任何附加功能。

有的工程師把單任務系統(tǒng)設計成設備驅動和具體的應用軟件模塊處于同一層次（即應用程序也在比如serial.c中實現(xiàn)），這顯然是不合理的，不符合軟件設計中高內聚低耦合的要

求。

另一種不合理的設計是直接在應用中操作硬件的寄存器（單獨一個main.c，所有功能都在一個函數(shù)中實現(xiàn)，不采用其他任何接口/函數(shù)），而不單獨設計驅動模塊，這種設計意

味著系統(tǒng)中不存在或未能充分利用可被重用的驅動代碼。

2）有操作系統(tǒng)時的設備驅動

無操作系統(tǒng)時的設備驅動中的設備驅動直接運行在硬件之上，不與任何操作系統(tǒng)關聯(lián)。當系統(tǒng)中包含操作系統(tǒng)后，設備驅動會變得怎樣？

首先，無操作系統(tǒng)時設備驅動的硬件操作工作仍然是必不可少的， 沒有這一部分，設備驅動不可能與硬件打交道。

其次，我們還需要將設備驅動融入內核。為了實現(xiàn)這種融合，必須在所有的設備驅動中設計面向操作系統(tǒng)內核的接口，這樣的接口由操作系統(tǒng)規(guī)定，對一類設備而言結構一致，

獨立于具體的設備。

由此可見，當系統(tǒng)中存在操作系統(tǒng)的時候，設備驅動變成了連接硬件和內核的橋梁。操作系統(tǒng)的存在勢必要求設備驅動附加更多的代碼和功能（以我看，主要是提供了很多結構

），把單一的“驅使硬件設備行動”變成了操作系統(tǒng)內與硬件交互的模塊，它對外呈現(xiàn)為操作系統(tǒng)的API，不再給應用軟件工程師直接提供接口。有了操作系統(tǒng)之后，設備驅動

反而變得復雜，那要操作系統(tǒng)干什么？

首先，一個復雜的軟件系統(tǒng)需要處理多個并發(fā)的任務，沒有操作系統(tǒng)，想完成多任務并發(fā)是很困難的。

其次，操作系統(tǒng)給我們提供內存管理機制。一個典型的例子是，對于多數(shù)含 MMU的處理器而言，Windows、Linux 等操作系統(tǒng)可以讓每個進程都獨立地訪問 4GB的內存空間

。

上述優(yōu)點似乎并沒有體現(xiàn)在設備驅動身上，操作系統(tǒng)的存在給設備驅動究竟帶來了什么好處呢？

簡而言之，操作系統(tǒng)通過給設備驅動制造麻煩來達到給上層應用提供便利的目的。如果設備驅動都按照操作系統(tǒng)給出的獨立于設備的接口而設計，應用程序將可使用統(tǒng)一的系統(tǒng)

調用接口來訪問各種設備。對于類UNIX的VxWorks、Linux等操作系統(tǒng)而言，應用程序通過write()、read()等函數(shù)讀寫文件就可以訪問各種字符設備和塊設備，而不用管設備的

具體類型和工作方式，是非常方便的。

不管有無操作系統(tǒng)，不管是SerialSend，或者write，訪問設備都需要對寄存器進行讀寫操作，比如串口，在dev目錄下有個ttys0結點，我們可以通過ioctl函數(shù)對其進行讀寫操

作，當然，write、read更為直接咯。而上層的應用可以對這些函數(shù)進行封裝，定義不同的接口，從而實現(xiàn)更多的功能。

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