Linux 驅動程式觀念解析, #4: Linux 驅動程式一般化設計流程
了解重要的架構觀念面後，接著就是 Linux 驅動程式本身了！Linux 驅動程式的設計雖然沒有一定的標準流程，但是由「觀念」層面可以歸納出一個一般化的流程。
作者／陳俊宏
www.jollen.org
一般化設計流程
我們提過，依照驅動程式本身的實作，可以將 Linux 驅動程式分為 2 大部份：virtual device driver與physical device driver。
此流程為一個觀念流程，實際撰寫驅動程式時，並不會完全以這個流程來設計。但初學Linux驅動程式時，則應以此流程為主循序學習，才能理解基本的Linux驅動程式實作。
對Linux驅動程式而言，virtual device driver的重要性遠在physical device driver之上，乍聽之下這或許不太能理解，因為沒有physical device driver是無法真正驅動硬體的。但實作上，physical device driver是一成不變的程式寫法，能不能寫出好的驅動程式，關鍵是在virtual device driver的部份。
struct file_operations
struct file_operations 是 kernel 提供的一個重要資料結構，這是學習 Linux 驅動程式第一個會認識的對象，也是最重要的一個主題。
Linux 驅動程式建構在 file_operations 之上。file_operations定義驅動程式的system call與實作system call的函數，我們把file_operations任何一個部份拿出來討論的話，都能切成virtual device driver與physical device driver二個部份。
流程解說
Virtual device driver往上是為了連結Linux kernel的VFS層，physical device drvier往下是為了存取實體硬體。
Virtual Device Driver
Virtual device driver 的目的在於設計一個「機制」良好的kernel mode驅動程式，virtual device driver也必須考慮與user application的互動。實作上，則是需要善用kernel所提供的介面（interface），即kernel APIs。
Virtual device driver再分為3階段的觀念實作：
- 定義 file_operations
- 實作 system calls
- 註冊 driver (VFS)
fops 是指向 file_operations 結構的指標，驅動程式呼叫 register_chrdev() 將fops註冊到 kernel 裡後，fops 便成為該 device driver 所實作的system call進入點。實作system call的函數便是透過file_operations結構來定義，我們稱實作system call的函數為driver method。
kernel 會在需要時回呼 (callback) 我們所註冊的driver method。因此，當 driver 裡的 method 被呼叫時，kernel便將傳遞參數（parameters）給 driver method，driver method可由 kernel 所傳遞進來的參數取得驅動程式資訊。
註冊driver的動作呼叫register_chrdev()函數完成，此函數接受3個參數如下：
- major：要註冊的裝置 major number
- name：device 名稱
- fops：driver 的 file operation
「註冊」這個動作觀念上是將fops加到kernel的VFS層，因此user application必須透過「device file」才能呼叫到driver method。註冊這個動作的另一層涵意則是將driver method與不同的system call做「正確的對應」，當user application呼叫system call時，才能執行正確的driver method。
Physical Device Driver
Physical device driver的目的在於實作控制硬體的程式碼。Physical device driver 的設計必須隨時查閱晶片（chipsets）的 data sheet，並透過晶片的 control register 來控制裝置。
理論上，我們可以將晶片的暫存器分成3大類：
- data registers
- control registers
- status registers
Data register是晶片裡用來存放資料的暫存器，control register則是用來控制晶片行為的暫存器，status register則保存目前晶片的狀態。設計控制硬體周邊的驅動程式時，需要了解硬體使用的晶片組，晶片組則需要參考IC設計廠商所提供的「datasheet」才能了解晶片組的暫存器名稱與用途，通常不同的暫存器會對應到一個「相對」的偏移位址（offset）。
驅動程式則是要透過control register才能控制晶片，因此需要隨時查閱晶片的datasheet，並了解每一個暫存器的用途。通常暫存器的每個位元（bit）也都是有特定用途的，因此設計驅動程式時，必須要很熟悉C語言的位元運算用法。
實作上，首先會將晶片的 datasheet 寫成C語言的標頭檔，通常這個檔案都可以從 vendor 取得。
接著再定義一組操作暫存器的I/O函數，我們稱這組函數為I/O wrapper function。I/O wrapper functions通常是重新定義Linux kernel所提供的readb()、writeb()或inb()、outb()系列函數所寫成的。
最後，利用I/O wrapper function實作一系列的控制函數，以控制實際硬體，我們稱此函數為chipset control functions。Chipset control functions是由實作system calls的函數（driver method）所呼叫，因此在設計chipset control functions時也會回頭改寫driver method以符合此階段的實作。
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