Kenntnisse über die Entwicklung von Linux-Gerätetreibern

Gerätetreiber stellen ein wichtiges Segment des modernen Softwaremarktes dar. Dabei handelt es sich um spezielle Programme, die dazu dienen, Hardware mit Benutzeranwendungen zu verbinden. Sie sind daher für alle Embedded Systeme und IoT-Lösungen von entscheidender Bedeutung.

Das Interesse an der Entwicklung von Treibern für Linux nimmt mit der wachsenden Beliebtheit dieses Betriebssystems stetig zu. Linux ist ein plattformübergreifendes Betriebssystem, dessen Code größtenteils hardware-agnostisch ist, und die meisten Benutzer wissen (glücklicherweise) nichts über seine Hardware-Funktionen. Die Eigenschaften der einzelnen Hardware-Plattformen sind größtenteils in der Implementierung der Treiber verborgen, die es dem Betriebssystem ermöglichen, auf dieser Plattform zu arbeiten.

Die Rolle von Gerätetreibern

Um einen Linux-Gerätetreiber zu definieren, kann man sagen, dass es sich um ein Kernelmodul handelt, das in der Sprache C geschrieben ist und Daten von der Hardware zum Betriebssystem und umgekehrt überträgt. Treiber werden beim Booten oder auf Anforderung geladen.

Anbieter von eingebetteter Software bieten eine separate Dienstleistung an – die Linux-Treibern Entwicklung. Warum ist das notwendig? Das Wesentliche ist, dass jede eingebettete Lösung aus einer Kombination von Hardware und Software besteht.

Zu den Hardware-Elementen gehören ein Mikroprozessor (das Kernstück, auf dem die Anwendersoftware läuft) und Geräte von Drittanbietern (z. B. Kameras oder Scanner). Damit diese Geräte wie vorgesehen funktionieren und mit der Anwendersoftware interagieren können, benötigen Sie Treiber. Diese kleinen Softwarepakete sind wie Brücken, die dafür sorgen, dass Hardware und Software einander verstehen. So wird zum Beispiel ein Grafikkartentreiber benötigt, damit ein Computerbildschirm Bilder wiedergeben kann, so dass die Benutzer Videos und Grafiken auf dem Bildschirm sehen können.

Gerätetreiber spielen im Linux-Kernel eine besondere Rolle. Sie verarbeiten einen bestimmten Teil der Anfragen an die Hardware des Linux-Kernels über eine gut organisierte interne Schnittstelle. Die Merkmale des Betriebs jedes einzelnen Geräts sind im Treibercode vollständig verborgen.

Benutzeranfragen werden über einen Standardsatz von Systemaufrufen gesendet, der unabhängig von einem bestimmten Treiber ist. Diese Anfragen werden auf Funktionen abgebildet, die für jede Hardware spezifisch sind und reale Geräte steuern. Die Programmierschnittstelle ist so implementiert, dass Treiber unabhängig vom Kernel entwickelt und bei Bedarf in den laufenden Kernel integriert werden können. Diese Eigenschaft von Linux-Treibern wird als Modularität bezeichnet und vereinfacht den Prozess der Treiberkodierung und -verwaltung erheblich.

So können Linux-Treiber als Module erstellt werden, die bei Bedarf in den Kernel installiert werden, oder sie können sofort in den Kernel eingebaut werden. Kunden sollten die am besten geeignete Option mit einem Embedded-Software-Unternehmen besprechen.

Geräte- und Modulklassen

In Unix (einer Familie von Betriebssystemen, aus der Linux hervorgegangen ist) werden die Geräte in drei Klassen eingeteilt:

• Zeichengeräte. Sie können als ein Strom von Bytes (wie eine Datei) dargestellt werden. Solche Treiber implementieren zumindest die Systemaufrufe open(), close(), read() und write(). Die Textkonsole (/dev/console) und die seriellen Schnittstellen (/dev/ttyS0 und ähnliche) sind Beispiele für Zeichengeräte, da sie durch die Thread-Abstraktion perfekt dargestellt werden. Der Zugriff auf sie erfolgt über spezielle Dateien, die als Geräteschnittstellen bezeichnet werden und sich normalerweise im Verzeichnis /dev befinden. Der Unterschied zwischen einem Zeichengerät und einer Datei besteht darin, dass man sich beim Öffnen einer normalen Datei vorwärts oder rückwärts durch sie bewegen kann, während ein Zeichengerät ein serieller Datenkanal ist.
• Blockgeräte. Sie beherbergen normalerweise Dateisysteme. Sie können über spezielle Schnittstellendateien auf Blockgeräte zugreifen. Auf den meisten Unix-Systemen können sie nur als eine Menge von Blöcken dargestellt werden. Die Blockgröße ist ein Vielfaches einer Zweierpotenz und entspricht oft einem Kilobyte an Daten. Linux erlaubt Anwendungen das Lesen und Schreiben auf Blockgeräten ebenso wie auf Zeichengeräten.
• Um Informationen über ein Netzwerk zu übertragen, benötigen Sie ein Netzwerkgerät, das mit einem anderen Gerät interagiert. Traditionell wird die Netzwerkschnittstelle auf Hardwarebasis implementiert, es ist jedoch auch eine vollständige Softwareimplementierung möglich.

Jedes Modul unterstützt eine dieser Klassen und ist daher in Zeichen-, Block- und Netzwerkgerätemodule unterteilt. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Klassifizierung flexibel ist, was bedeutet, dass Softwareentwickler ein großes Modul mit verschiedenen Treibern in einem einzigen Stück Code erstellen können. Ein korrekterer Programmierstil impliziert jedoch die Erstellung verschiedener Module für jede neu hinzugefügte Funktionalität, da Fragmentierung ein Schlüsselelement für Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit ist.

Unter Linux können Sie auch andere Klassen von Modulen erstellen. Jede Modulklasse bietet eine Schnittstelle zur Demonstration eines bestimmten Gerätetyps. So kann es Module für den USB-CAN-Bus, die serielle Schnittstelle usw. geben.

Warum Linux verwenden?

Offene Quelle

Linux ist ein Open-Source-Betriebssystem. Das ist praktisch, vor allem für Leute, die Code schreiben oder Änderungen am Systembetrieb vornehmen müssen. Im Gegensatz zu Windows oder Mac ist Linux außerdem kostenlos zu installieren und zu verwenden, so dass es eine großartige Alternative für diejenigen sein kann, die ein begrenztes Budget haben, aber ein System benötigen, das sich an ihre Bedürfnisse anpassen kann.

Sicherheit

Eines der besten Dinge an Linux ist, dass es extrem sicher ist. Da es sich um ein Open-Source-Betriebssystem handelt, gibt es auf der ganzen Welt Entwickler, die ein Auge auf Viren und potenzielle Bedrohungen haben. Wenn also der Code aktualisiert oder geändert werden muss, ist das im Handumdrehen erledigt. Ein weiterer Grund ist, dass es nicht kosteneffektiv ist, Viren für dieses System zu entwickeln, da es relativ weniger Linux-Benutzer als Windows-Benutzer gibt. Daher wird die Infektion des Systems mit Malware auf ein Minimum reduziert.

Geschwindigkeit

Da bei Linux keine Antiviren-Software installiert werden muss, werden keine großen Computerressourcen verbraucht, was das System schneller macht. Darüber hinaus ist Linux aufgrund seiner vergleichsweise einfacheren Benutzeroberfläche schneller als Windows.

Transparenz

Das gesamte Innenleben von Linux ist vollständig einsehbar: Die Systemkomponenten und ihr Zusammenspiel sind nicht nur einsehbar, sondern auch ausführlich und vollständig dokumentiert. Das bedeutet, dass nicht nur ein fertiger Linux-Spezialist die Ursachen für ein aufgetretenes Problem verstehen kann, sondern jeder, der die Dokumentation sorgfältig liest und die Situation analysiert. Die Antworten auf 99 % der Linux-Fragen, einschließlich der Fragen zur Treiberentwicklung, sind daher sofort im Internet zu finden. Der Rest der Fragen kann direkt an die Entwickler gestellt werden – und sie werden gerne antworten.