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作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)作者, 你可能發(fā)現(xiàn)你面對(duì)一個(gè)設(shè)備必須在它能支持工作前下載固件到它里面. 硬件市場(chǎng)的許多地方的競(jìng)爭(zhēng)是如此得強(qiáng)烈, 以至于甚至一點(diǎn)用作設(shè)備控制固件的 EEPROM 的成本制造商都不愿意花費(fèi). 因此固件發(fā)布在隨硬件一起的一張 CD 上, 并且操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳送固件到設(shè)備自身. 硬件越來(lái)越復(fù)雜，硬件的許多功能使用了程序?qū)崿F(xiàn)，與直接硬件實(shí)現(xiàn)相比，固件擁有處理復(fù)雜事物的靈活性和便于升級(jí)、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。固件（firmware）就是這樣的一段在設(shè)備硬件自身中執(zhí)行的程序，通過(guò)固件標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序才能實(shí)現(xiàn)特定機(jī)器的操作，如：光驅(qū)、刻錄機(jī)等都有內(nèi)部的固件。 固件一般存放在設(shè)備上的flash存儲(chǔ)器中，但出于成本和靈活性考慮，許多設(shè)備都將固件的映像(image)以文件的形式存放在硬盤(pán)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)再裝載到設(shè)備內(nèi)部的存儲(chǔ)器中。這樣，方便了固件的升級(jí)，并省略了設(shè)備的flash存儲(chǔ)器。 一、驅(qū)動(dòng)和固件的區(qū)別 計(jì)算機(jī)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)和固件從來(lái)沒(méi)有過(guò)明確的定義，就好像今天我們說(shuō)內(nèi)存，大部分人用來(lái)表示SDRAM，但也有人把Android里的“固化的Flash/Storage"稱(chēng)為“內(nèi)存”，你不能說(shuō)這樣說(shuō)就錯(cuò)了，因?yàn)檫@確實(shí)是一種“內(nèi)部存儲(chǔ)”。 但在Linux Kernel中，Driver和Firmware是有明確含義的， 1、驅(qū)動(dòng) Driver是控制被操作系統(tǒng)管理的外部設(shè)備（Device）的代碼段。很多時(shí)候Driver會(huì)被實(shí)現(xiàn)為L(zhǎng)KM，但這不是必要條件。driver通過(guò)driver_register()注冊(cè)到總線(bus_type）上，代表系統(tǒng)具備了驅(qū)動(dòng)某種設(shè)備（device）的能力。當(dāng)某個(gè)device被注冊(cè)到同樣的總線的時(shí)候（通常是總線枚舉的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了這個(gè)設(shè)備），總線驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)driver和device會(huì)通過(guò)一定的策略進(jìn)行binding（即進(jìn)行匹配），如果Binding成功，總線驅(qū)動(dòng)會(huì)調(diào)用driver的probe()函數(shù)，把設(shè)備的信息（例如端口，中斷號(hào)等）傳遞給驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)就可以對(duì)真實(shí)的物理部件進(jìn)行初始化，并把對(duì)該設(shè)備的控制接口注冊(cè)到Linux的其他子系統(tǒng)上（例如字符設(shè)備，v4l2子系統(tǒng)等）。這樣操作系統(tǒng)的其他部分就可以通過(guò)這些通用的接口來(lái)訪問(wèn)設(shè)備了。 2、固件 Firmware，是表示運(yùn)行在非“控制處理器”（指不直接運(yùn)行操作系統(tǒng)的處理器，例如外設(shè)中的處理器，或者被用于bare metal的主處理器的其中一些核)中的程序。這些程序很多時(shí)候使用和操作系統(tǒng)所運(yùn)行的處理器完全不同的指令集。這些程序以二進(jìn)制形式存在于Linux內(nèi)核的源代碼樹(shù)中，生成目標(biāo)系統(tǒng)的時(shí)候，通�？截愒�/lib/firmware目錄下。當(dāng)driver對(duì)device進(jìn)行初始化的時(shí)候，通過(guò)request_firmware()等接口，在一個(gè)用戶態(tài)helper程序的幫助下，可以把指定的firmware加載到內(nèi)存中，由驅(qū)動(dòng)傳輸?shù)街付ǖ脑O(shè)備上。 所以，總的來(lái)說(shuō)，其實(shí)driver和firmware沒(méi)有什么直接的關(guān)系，但firmware通常由驅(qū)動(dòng)去加載。我們討論的那個(gè)OS，一般不需要理解firmware是什么，只是把它當(dāng)做數(shù)據(jù)。firmware是什么，只有使用這些數(shù)據(jù)的那個(gè)設(shè)備才知道。好比你用一個(gè)電話，電話中有一個(gè)軟件，這個(gè)軟件你完全不關(guān)心如何工作的，你換這個(gè)軟件的時(shí)候，就可以叫這個(gè)軟件是“固件”，但如果你用了一個(gè)智能手機(jī)，你要細(xì)細(xì)關(guān)系什么是上面的應(yīng)用程序，Android平臺(tái)，插件之類(lèi)的細(xì)節(jié)內(nèi)容，你可能就不叫這個(gè)東西叫“固件”了。 如何解決固件問(wèn)題呢？你可能想解決固件問(wèn)題使用這樣的一個(gè)聲明: static char my_firmware[] = { 0x34, 0x78, 0xa4, ... }; 但是, 這個(gè)方法幾乎肯定是一個(gè)錯(cuò)誤. 將固件編碼到一個(gè)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)大了驅(qū)動(dòng)的代碼, 使固件升級(jí)困難, 并且非�？赡墚a(chǎn)生許可問(wèn)題. 供應(yīng)商不可能已經(jīng)發(fā)布固件映象在 GPL 之下, 因此和 GPL-許可的代碼混合常常是一個(gè)錯(cuò)誤. 為此, 包含內(nèi)嵌固件的驅(qū)動(dòng)不可能被接受到主流內(nèi)核或者被 Linux 發(fā)布者包含. 二、內(nèi)核固件接口 正確的方法是當(dāng)你需要它時(shí)從用戶空間獲取它. 但是, 請(qǐng)抵制試圖從內(nèi)核空間直接打開(kāi)包含固件的文件的誘惑; 那是一個(gè)易出錯(cuò)的操作, 并且它安放了策略(以一個(gè)文件名的形式)到內(nèi)核. 相反, 正確的方法時(shí)使用固件接口, 它就是為此而創(chuàng)建的: [cpp] view plain copy 1. #include 2. 3. int request_firmware(const struct firmware **fw, char *name, struct device *device); 函數(shù)request_firmware向用戶空間請(qǐng)求提供一個(gè)名為name固件映像文件并等待完成。參數(shù)device為固件裝載的設(shè)備。文件內(nèi)容存入request_firmware 返回，如果固件請(qǐng)求成功，返回0。該函數(shù)從用戶空間得到的數(shù)據(jù)未做任何檢查，用戶在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，應(yīng)對(duì)固件映像做數(shù)據(jù)安全檢查，檢查方向由設(shè)備固件提供商確定，通常有檢查標(biāo)識(shí)符、校驗(yàn)和等方法。 調(diào)用 request_firmware 要求用戶空間定位并提供一個(gè)固件映象給內(nèi)核; 我們一會(huì)兒看它如何工作的細(xì)節(jié). name 應(yīng)當(dāng)標(biāo)識(shí)需要的固件; 正常的用法是供應(yīng)者提供的固件文件名. 某些象 my_firmware.bin 的名子是典型的. 如果固件被成功加載, 返回值是 0(負(fù)責(zé)常用的錯(cuò)誤碼被返回), 并且 fw 參數(shù)指向一個(gè)這些結(jié)構(gòu): [cpp] view plain copy 1. struct firmware { 2. size_t size; 3. u8 *data; 4. }; 那個(gè)結(jié)構(gòu)包含實(shí)際的固件, 它現(xiàn)在可被下載到設(shè)備中. 小心這個(gè)固件是來(lái)自用戶空間的未被檢查的數(shù)據(jù); 你應(yīng)當(dāng)在發(fā)送它到硬件之前運(yùn)用任何并且所有的你能夠想到的檢查來(lái)說(shuō)服你自己它是正確的固件映象. 設(shè)備固件常常包含標(biāo)識(shí)串, 校驗(yàn)和, 等等; 在信任數(shù)據(jù)前全部檢查它們. 在你已經(jīng)發(fā)送固件到設(shè)備前, 你應(yīng)當(dāng)釋放 in-kernel 結(jié)構(gòu), 使用: [cpp] view plain copy 1. void release_firmware(struct firmware *fw); 因?yàn)?request_firmware 請(qǐng)求用戶空間來(lái)幫忙, 它保證在返回前睡眠. 如果你的驅(qū)動(dòng)當(dāng)它必須請(qǐng)求固件時(shí)不在睡眠的位置, 異步的替代方法可能要使用: [cpp] view plain copy 1. int request_firmware_nowait(struct module *module, 2. char *name, struct device *device, void *context, 3. void (*cont)(const struct firmware *fw, void *context)); 這里額外的參數(shù)是 moudle( 它將一直是 THIS_MODULE), context (一個(gè)固件子系統(tǒng)不使用的私有數(shù)據(jù)指針), 和 cont. 如果都進(jìn)行順利, request_firmware_nowait 開(kāi)始固件加載過(guò)程并且返回 0. 在將來(lái)某個(gè)時(shí)間, cont 將用加載的結(jié)果被調(diào)用. 如果由于某些原因固件加載失敗, fw 是 NULL. 三、固件如何工作 固件子系統(tǒng)使用 sysfs 和熱插拔機(jī)制. 當(dāng)調(diào)用 request_firmware, 一個(gè)新目錄在 /sys/class/firmware 下使用你的驅(qū)動(dòng)的名子被創(chuàng)建. 那個(gè)目錄包含 3 個(gè)屬性: loading 這個(gè)屬性應(yīng)當(dāng)被加載固件的用戶空間進(jìn)程設(shè)置為 1. 當(dāng)加載進(jìn)程完成, 它應(yīng)當(dāng)設(shè)為 0. 寫(xiě)一個(gè)值 -1 到 loading 會(huì)中止固件加載進(jìn)程. data data 是一個(gè)二進(jìn)制的接收固件數(shù)據(jù)自身的屬性. 在設(shè)置 loading 后, 用戶空間進(jìn)程應(yīng)當(dāng)寫(xiě)固件到這個(gè)屬性. device 這個(gè)屬性是一個(gè)符號(hào)連接到 /sys/devices 下面的被關(guān)聯(lián)入口項(xiàng). 一旦創(chuàng)建了 sysfs 入口項(xiàng), 內(nèi)核為你的設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)熱插拔事件. 傳遞給熱插拔處理者的環(huán)境包括一個(gè)變量 FIRMWARE, 它被設(shè)置為提供給 request_firmware 的名子. 這個(gè)處理者應(yīng)當(dāng)定位固件文件, 并且拷貝它到內(nèi)核使用提供的屬性. 如果這個(gè)文件無(wú)法找到, 處理者應(yīng)當(dāng)設(shè)置 loading 屬性為 -1. 如果一個(gè)固件請(qǐng)求在 10 秒內(nèi)沒(méi)有被服務(wù), 內(nèi)核就放棄并返回一個(gè)失敗狀態(tài)給驅(qū)動(dòng). 超時(shí)周期可通過(guò) sysfs 屬性 /sys/class/firmware/timeout 屬性改變. 使用 request_firmware 接口允許你隨你的驅(qū)動(dòng)發(fā)布設(shè)備固件. 當(dāng)正確地集成到熱插拔機(jī)制, 固件加載子系統(tǒng)允許設(shè)備簡(jiǎn)化工作"在盒子之外" 顯然這是處理問(wèn)題的最好方法. 但是, 請(qǐng)?jiān)试S我們提出多一條警告: 設(shè)備固件沒(méi)有制造商的許可不應(yīng)當(dāng)發(fā)布. 許多制造商會(huì)同意在合理的條款下許可它們的固件, 如果客氣地請(qǐng)求; 一些其他的可能不何在. 無(wú)論如何, 在沒(méi)有許可時(shí)拷貝和發(fā)布它們的固件是對(duì)版權(quán)法的破壞并且招致麻煩. 四、固件接口函數(shù)的使用方法 當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序需要使用固件驅(qū)動(dòng)時(shí)，在驅(qū)動(dòng)程序的初始化化過(guò)程中需要加下如下的代碼： [cpp] view plain copy 1. if(request_firmware(&fw_entry, $FIRMWARE, device) == 0) /*從用戶空間請(qǐng)求映像數(shù)據(jù)*/ 2. 3. /*將固件映像拷貝到硬件的存儲(chǔ)器，拷貝函數(shù)由用戶編寫(xiě)*/ 4. copy_fw_to_device(fw_entry->data, fw_entry->size); 5. release(fw_entry); 用戶還需要在用戶空間提供腳本通過(guò)文件系統(tǒng)sysfs中的文件data將固件映像文件讀入到內(nèi)核的緩沖區(qū)中。腳本樣例列出如下： [cpp] view plain copy 1. #變量$DEVPATH（固件設(shè)備的路徑）和$FIRMWARE（固件映像名）應(yīng)已在環(huán)境變量中提供 2. 3. HOTPLUG_FW_DIR=/usr/lib/hotplug/firmware/ #固件映像文件所在目錄 4. 5. echo 1 > /sys/$DEVPATH/loading 6. cat $HOTPLUG_FW_DIR/$FIRMWARE > /sysfs/$DEVPATH/data 7. echo 0 > /sys/$DEVPATH/loading 五、固件請(qǐng)求函數(shù)request_firmware 函數(shù)request_firmware請(qǐng)求從用戶空間拷貝固件映像文件到內(nèi)核緩沖區(qū)。該函數(shù)的工作流程列出如下： a -- 在文件系統(tǒng)sysfs中創(chuàng)建文件/sys/class/firmware/xxx/loading和data，"xxx"表示固件的名字，給文件loading和data附加讀寫(xiě)函數(shù)，設(shè)置文件屬性，文件loading表示開(kāi)/關(guān)固件映像文件裝載功能；文件data的寫(xiě)操作將映像文件的數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)核緩沖區(qū)，讀操作從內(nèi)核緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。 b -- 將添加固件的uevent事件（即"add"）通過(guò)內(nèi)核對(duì)象模型發(fā)送到用戶空間。 c -- 用戶空間管理uevent事件的后臺(tái)進(jìn)程udevd接收到事件后，查找udev規(guī)則文件，運(yùn)行規(guī)則所定義的動(dòng)作，與固件相關(guān)的規(guī)則列出如下： [cpp] view plain copy 1. $ /etc/udev/rules.d/50-udev-default.rules 2. …… 3. # firmware class requests 4. SUBSYSTEM=="firmware", ACTION=="add", RUN+="firmware.sh" 5. …… 從上述規(guī)則可以看出，固件添加事件將引起運(yùn)行腳本firmware.sh。 d -- 腳本firmware.sh打開(kāi)"裝載"功能，同命令"cat 映像文件 > /sys/class/firmware/xxx/data"將映像文件數(shù)據(jù)寫(xiě)入到內(nèi)核的緩沖區(qū)。 e -- 映像數(shù)據(jù)拷貝完成后，函數(shù)request_firmware從文件系統(tǒng)/sysfs注銷(xiāo)固件設(shè)備對(duì)應(yīng)的目錄"xxx"。如果請(qǐng)求成功，函數(shù)返回0。 f -- 用戶就將內(nèi)核緩沖區(qū)的固件映像數(shù)據(jù)拷貝到固件的內(nèi)存中。然后，調(diào)用函數(shù)release_firmware(fw_entry)釋放給固件映像分配的緩沖區(qū)。 以下課程可免費(fèi)試聽(tīng)C語(yǔ)言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、Python、安卓等。 想學(xué)習(xí)的你和我聯(lián)系預(yù)約就可以免費(fèi)聽(tīng)課了。宋工Q35--24-65--90-88 Tel/WX：173--17--95--19--08 |
