20260102 - Linux驱动设计的思想

一、 核心思想整理：从"写死"到"通用"

1. 什么是"分离"？

• 分层 (Layering) ：是纵向 切割。把 file_operations（给内核看的）和 led_operations（给硬件看的）分开。
• 分离 (Separation) ：是横向 切割。在硬件操作层内部，把 "资源（Resource）" 和 "逻辑（Logic/Driver）" 彻底分开。

2. 为什么要分离？

假设你有 10 款开发板，用的都是同一款 CPU（比如 i.MX6ULL），但 LED 接的引脚不同：

• 不分离 ：你需要写 10 个 board_xxx.c，每个文件里都要写一遍"读寄存器、改方向、写寄存器"的代码。代码冗余极大。
• 分离 ：
  • 你只需要写 1 个 通用的 chip_gpio.c（负责算地址、读写）。
  • 然后写 10 个 很小的 board_xxx.c（只记录引脚编号）。
  • 效率极高，不易出错。

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二、 代码层面的深度分析

为了让你看懂"分离"是如何在 C 语言中实现的，我们要构建三个部分：资源定义 、资源数据 、通用逻辑。

1. 定义标准（头文件）

首先，我们需要一个"协议"，规定如何描述一个 LED 硬件资源。

// led_resource.h

// 定义描述硬件资源的结构体
struct led_resource {
    int group;  // GPIO组号，例如 1 代表 GPIO1
    int pin;    // 引脚号，例如 3 代表 GPIO1_3
};

// 获取资源的函数声明
struct led_resource *get_led_resource(void);

2. 资源层（board_A_led.c）

这个文件只关心数据。它不包含任何寄存器操作，只负责告诉驱动："我的灯接在哪里"。

// board_A_led.c (针对单板A)
#include "led_resource.h"

// 定义具体的硬件资源：我的灯接在 GPIO1_3
static struct led_resource board_A_led = {
    .group = 1,
    .pin   = 3,
};

// 提供给外部获取资源的接口
struct led_resource *get_led_resource(void) {
    return &board_A_led;
}

思考 ：如果你换了板子，灯接在 GPIO5_4，你只需要修改上面这一小段代码，其他所有文件都不用动！

3. 驱动逻辑层（chipY_gpio.c）

这个文件只关心逻辑。它是通用的，不知道也不关心具体的引脚，它只负责"计算和操作"。

// chipY_gpio.c (针对芯片Y的通用驱动)
#include "led_resource.h"
#include "led_opr.h" // 包含 led_operations 定义

// 假设的寄存器基地址 (i.MX6ULL)
// 实际代码中需要通过 ioremap 映射，这里仅作逻辑演示
#define CCM_CCGR1_BASE  0x20C406C0
#define GPIO1_BASE      0x209C0000
#define GPIO5_BASE      0x20AC0000

static struct led_resource *p_res;

// 初始化函数：通用的，不管你是哪组 GPIO
static int chipY_gpio_init(int which) {
    // 1. 获取资源（关键步骤！）
    // 驱动去问资源层："嘿，我们要操作哪个引脚？"
    p_res = get_led_resource(); 
    
    // 2. 根据资源计算寄存器地址 (逻辑部分)
    // 无论 p_res->group 是 1 还是 5，这套逻辑都适用
    unsigned int base_addr;
    if (p_res->group == 1) {
        base_addr = GPIO1_BASE;
        // 使能 GPIO1 时钟 (通用逻辑)
        // ...
    } else if (p_res->group == 5) {
        base_addr = GPIO5_BASE;
        // 使能 GPIO5 时钟
        // ...
    }

    // 3. 设置 GPIO 方向为输出 (通用逻辑)
    // 这里的逻辑是：读取 DIR 寄存器，把对应 pin 位置 1
    // *GPIO_DIR(base_addr) |= (1 << p_res->pin); 
    
    return 0;
}

static int chipY_gpio_ctl(int which, char status) {
    // 控制函数同理，根据 p_res->group 和 p_res->pin 计算地址和位移
    // ...
    return 0;
}

// 定义 operations 结构体，供上层 led_drv.c 调用
struct led_operations chipY_gpio_opr = {
    .init = chipY_gpio_init,
    .ctl  = chipY_gpio_ctl,
};

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三、 总结：分离的精髓

通过上面的代码分析，我们可以清晰地看到"分离"的效果：

1. 左边是 board_A_led.c (变化的部分) ：
   • 这里全是变量 和数字。
   • 负责回答 "Who?" (是哪个引脚？)
   • 将来这部分会演变成 Linux 内核中的 Device Tree (.dts 文件)。
2. 右边是 chipY_gpio.c (不变的部分) ：
   • 这里全是公式 和算法。
   • 负责回答 "How?" (怎么操作寄存器？)。
   • 将来这部分会演变成 Linux 内核中的 Platform Driver (.c 文件)。

下一步

上述的"分离"思想正是 "总线-设备-驱动"模型 的雏形，是在模拟 Linux 内核中最伟大的发明之一------**Platform Bus（平台总线）**模型。

• 现在 ：你还在用 C 语言的 struct 来手动传递资源（通过 get_led_resource）。
• 未来 ：你会学习如何用文本文件（.dts）来描述 group=1, pin=3，然后内核会自动解析这个文本，把它变成结构体传给你的驱动。

一、 概念解析

1. 总线-设备-驱动 (Bus-Device-Driver) 模型

在 Linux 内核中，这是一种管理机制。

• 设备 (Device)：包含硬件资源（如：GPIO 引脚号、中断号、寄存器基地址）。
• 驱动 (Driver)：包含操作逻辑（如：如何初始化、如何读写寄存器）。
• 总线 (Bus) ：它是中间人，负责匹配（Match）。当一个新的"设备"被注册时，总线会去寻找能处理它的"驱动"；反之亦然。

2. 设备树 (Device Tree)

在没有设备树之前，所有的"设备"信息都是写在 .c 文件里的。

• 设备树 ：是一种特殊的文本文件 (.dts)，它用树状结构描述硬件资源。
• 作用 ：它把原本写在 C 代码里的硬件参数（如 pin=3）剥离出来，写到一个独立的配置文件里。

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二、 进化之路：从"手动分离"到"自动化管理"

把你现在学习的代码与内核成熟模型进行对比，改进点如下：

1. 从"手动调用"到"自动匹配" (总线模型的改进)

• 你现在的做法 ：你在 chipY_gpio.c 中必须手动调用 get_led_resource()。这意味着驱动程序必须"知道"资源函数的存在。
• 总线模型的改进 ：
  • 优势 ：解耦更彻底 。驱动程序只需要声明"我支持名为 my_led 的设备"。
  • 机制 ：内核启动时，总线会对比"设备名字"和"驱动名字"。如果对上了，内核就自动调用驱动的 probe 函数，并把资源丢给驱动。驱动完全不需要知道资源定义在哪个文件里。

2. 从"硬编码"到"配置化" (设备树的改进)

• 你现在的做法 ：你修改引脚后，需要重新编译 board_A_led.c，然后重新生成 .ko 驱动文件。
• 设备树的改进 ：
  • 优势 ：一套驱动，到处运行。驱动程序编译一次后，可以发往所有使用该芯片的客户。
  • 机制 ：不同厂商的板子只需要提供自己的 .dts（设备树文件）。内核在启动时解析这个文本文件。你换引脚只需改一行文本，甚至不需要重新编译内核，只需编译这个文本即可。

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三、 核心优势对比表

特性	现在的"分离"思想	总线-设备-驱动模型	设备树 (Device Tree)
存放位置	两个 .c 文件	两个 .c 文件	driver.c + .dts 文本
匹配方式	函数硬调用	总线根据名字自动匹配	总线根据兼容性字符串匹配
可维护性	中等（需重编驱动）	高（逻辑与数据解耦）	极高（硬件变化不改驱动代码）
通用性	仅限本项目	符合内核规范，易于移植	工业标准，跨平台能力最强

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四、 代码层面的视觉进化

1. 你的现状（C 结构体）：

static struct led_resource board_A_led = { .pin = 3 }; // 写在 C 里

2. 设备树时代（DTS 文本）：

/* 写在 .dts 文件里，类似 JSON/XML */
led@1 {
    compatible = "chipY,my-led";
    gpios = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>; 
};

3. 驱动程序（Driver）：

驱动不再去问"引脚是谁"，而是从内核给的 device 结构体里"领礼物"：

int led_probe(struct platform_device *pdev) {
    // 内核自动把设备树里的引脚号 3 提取出来，送给这个函数
    int pin = of_get_named_gpio(pdev->dev.of_node, "gpios", 0);
    // ... 然后直接用即可
}

五、总线的工作流程

第一步：设备登记 (Device Register)

当系统启动或你插上一个新硬件时，内核会创建一个 device 结构体，里面写着："我叫 my_led，我的引脚是 3"。然后把它扔给总线。

第二步：驱动登记 (Driver Register)

驱动程序加载时，内核创建一个 driver 结构体，里面写着："我能支持名为 my_led 的硬件"。然后也把它扔给总线。

第三步：匹配 (Match)

这是总线最核心的工作。每当有新的"设备"或"驱动"加入，总线就会自动执行一个 match 函数：

总线问： "驱动啊，这个新来的设备叫 my_led，你要吗？" 驱动看了一眼名字： "名字对上了，我要了！"

第四步：结合 (Probe)

一旦匹配成功，总线就会调用驱动 里的 probe（探查）函数。

总线： "既然你们看对眼了，驱动，这是那个设备的资源（引脚号等），你拿去初始化吧！"

probe 函数的核心任务是："领资源" + "做初始化"

总结

• 总线模型 解决了"驱动怎么找到设备"的自动化问题。
• 设备树 解决了"硬件描述"的非代码化问题（让代码变纯粹）。