«Разработка драйвера графического планшета для системы Linux»

Объектом исследования является разработка драйвера для системы Linux.

Предметом исследования является разработка драйвера графического планшета под систему Linux.

В ходе выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Составить техническое задание драйвера

• Спроектировать систему

• Разработать модули программы и оценить работу в целом

Практическая ценность состоит в том что программа будет поддерживать работу графического планшета в системе Linux.

Ядро Linux, в свою очередь, можно разделить на три больших уровня. В верхней части находится интерфейс системного вызова, который реализует основные функции, такие как чтение и запись. Ниже интерфейса системного вызова находится код ядра, который является независимым от архитектуры кодом ядра. Этот код является общим для всех процессорных архитектур, поддерживаемых Linux. Еще ниже находится архитектурно-зависимый код, который формирует так называемый BSP (Board Support Package - пакет поддержки аппаратной платформы). Этот код зависит от процессора и платформы для конкретной архитектуры.

1.2 Свойства ядра Linux

Ядро Linux реализует ряд важных архитектурных элементов. В целом, и на более детальных уровнях, ядро можно разделить на множество различных подсистем. С другой стороны, Linux можно рассматривать как монолитное целое, так как все основные сервисы собраны в основной системе. Это отличается от архитектуры микроядра, где ядро предоставляет базовые услуги, такие как связь. ввод / вывод, управление памятью и процессами, а также более конкретные услуги реализованы в виде модулей, которые подключены к уровню микроядерных.

Со временем ядро Linux стало более эффективным с точки зрения использования памяти и процессора и стало чрезвычайно стабильным. Однако наиболее интересным аспектом Linux, учитывая размер и сложность этой системы, является ее переносимость. Linux может быть скомпилирован для огромного количества различных процессоров и платформ с различными архитектурными ограничениями и потребностями. Например, Linux может работать на процессоре с или без блока управления памятью (MMU). Поддержка процессоров без MMU реализована в версии ядра uClinux.

1.3 Принцип работы драйверов

Для современного человека компьютер не является чем-то неизвестным. Многие используют компьютер повседневно для различных задач, но не многие знают и разбираются во внутренней работе компьютера в его структуре. Для функционирования компьютера не достаточно собрать все комплектующие воедино, поставить лишь операционную систему, и он заработает. Чтобы компьютер функционировал, имел полный функционал и мог взаимодействовать со всеми устройствами необходимо также установить драйверы.

Драйверы служат связующим звеном между операционной системой и компьютерными комплектующими. На каждый отдельный элемент системного блока и периферийных устройств требуются отдельные драйвера. Стоит отметить, что после установки операционной системы (чистой) ваш компьютер будет функционировать, но вы не сможете воспользоваться всеми возможностями вашего «железа».

В состав драйвера входит несколько функций, которые интегрируют свою работу вместе с операционной системой. Например:

- загрузка драйвера, в процессе которой он регистрируется в системе;

- выгрузка драйвера, во время которой он освобождает захваченные ресурсы компьютера;

- открытие драйвера, во время которого нужный драйвер открывается используемой программой;

- чтение;

- запись;

- закрытие (полная противоположность операции открытия);

- управление операциями ввода-вывода информации.

Обычно устройство связано с компьютером с помощью драйвера, который общается с ним через шину к которой подключено непосредственное устройство. Когда программа вызывает процедуру (очередность операций) драйвера – он направляет команды на само устройство. При общении система посылает необходимые сигналы через драйвер к устройству и после выполнения процедуры устройство отсылает обратный сигнал также через драйвер в операционную систему.

Драйверы очень зависят от устройств, для которых они предназначены, и очень специфичны, так как каждое устройство имеет свою функциональность. Кроме того, любой драйвер специфичен для каждой операционной системы из-за того, что разные системы имеют свою собственную архитектуру. Обычно драйверы предоставляют схему прерывания для обработки асинхронных процедур в зависимости от времени интерфейс.

Он служит "переводчиком" между техническим интерфейсом и приложениями или операционными системами, которые их используют. Разработчики могут писать, с помощью драйверов, высокоуровневые приложения и программы не вдаваясь в подробности низкоуровневого функционала каждого из необходимых устройств в отдельности.

Как уже упоминалось, драйвер специфичен для каждого устройства. Он "понимает" все операции, которые может выполнять устройство, а также протокол, по которому происходит взаимодействие между программным обеспечением и железной частью. И, конечно же, она управляется операционной системой, которая выполняет конкретное приложение или отдельную функцию самой ОС ("печать с помощью принтера").

Если вы хотите отформатировать жесткий диск, то, упрощенно, этот процесс выглядит следующим образом и имеет определенную последовательность: (1) Сначала ОС отправляет команду в драйвер устройства используя команду как водитель, и операционная система понимает. (2) драйвер устройства преобразует команду в формат, понятный только устройству. (3) жесткий диск форматирует себя, возвращает результат драйверу, который затем переводит команду на "язык" операционной системы и выдает результат пользователю (4).Также можно упомянуть, что имеется ещё один вид драйверов - виртуальные драйверы. Подобные драйверы эмулируют работы определённого устройства на компьютере. Такие драйверы используются разработчиками в особых случаях, с которыми вряд ли столкнется обычный пользователь ПК.

1.4 Работа драйверов под Linux

Драйвер – это программа (программный код), который связывает аппаратную составляющую и операционную систему [].

Подобный подход эффективен, так как нет необходимости нагромождать операционную систему прописывая все инструкции работы с миллионами устройств. Система будет общаться с драйвером по определенным правилам, а уже драйвер будет связывать с системой оборудование, для которого был написан.

При этом в Линуксе изначально находятся все драйвера, за редким исключением, большинство из них имеют обобщенную схему работы для всех подобных устройств, обеспечивая меньший вес системы. Это приводит к тому что в системе будут работать все устройства, но не обеспечивая весь их функционал.

Устройствами в системе занимается ядро, все драйвера после проверки вносятся в отведенный модуль ядра. Поэтому чем новее ядро тем больше шанс что все ваши устройства запустятся.

Обновлением и установкой обеспечения в системе Linux занимается менеджер драйверов, пользователю лишь необходимо ввести несколько команд. Если пытаться поставить драйвер вручную можно повредить ядро.

Linux начинал свой путь как серверная ОС и был очень амбициозным проектом. Когда система делала свои первые шаги в качестве десктопной ОС многие уже не верили в ее успех, поэтому производители устройств не уделяли должного внимания. В основном обеспечение писали энтузиасты, а уже разработчики добавляли все это в систему.

В каждой операционной системе имеется ядро, имеющее свои правила, которыми должна руководствоваться программа, чтобы работать в этой операционной системе. Обычно название этих правил API или ABI.

Разница в архитектуре операционных систем и, следовательно, во внутреннем устройстве драйверов настолько велика, что даже имея доступ к исходным текстам, перенести драйвера скажем из Windows в Linux занимает очень много времени и сил, намного эффективнее создать с нуля.

В Linux, как упоминалось выше, принято использовать репозитории и редко прибегать к сторонним источникам. Учитывая популярность системы Windows с начала массового распространения компьютеров, программное обеспечение для нее сразу же разрабатывается производителем оборудования. Другими словами, для правильной работы всего оборудования драйвер необходимо искать на веб-сайтах производителей. Такая схема позволяет работать всем функциям оборудования в полном объеме, но замедляет и затрудняет настройку компьютера.

Большинство программ Linux в форме tar.gz,.оборот в минуту. ,deb файлы, которые по сути являются архивами и содержат необходимые библиотеки и программы.

Репозиторий представляет собой специальное серверное хранилище этих файлов. Их также можно назвать "источниками приложений". Компьютеры пользователей подключаются к хранилищам по сети или через Интернет и используют специальные утилиты (например, Synaptic) для просмотра установленных пакетов, доступных для установки. Большинство утилит поддерживают простой поиск по ключевым словам и могут классифицировать группы пакетов.

Эта внешняя система хранения обеспечивает простой централизованный способ установки или удаления программ и удобный способ загрузки обновлений.

Изначально Linux уже подключил необходимые репозитории, но никто не запрещает использовать другие, сторонние. Основная часть программного обеспечения для Linux в репозиториях. Также необходимые программы в виде архива можно скачать из интернета или собрать из исходных файлов вручную, но это будет довольно сложно и есть риск того, что собранная таким образом программа будет просто нерабочей.

Программное обеспечение под систему Linux в основном разрабатывается на языках С и С++ так как само ядро ОС построено в основном на Си с некоторыми расширениями GCC и на ассемблере.

Исходные файлы программ, которые являются стандартными текстовыми файлами, и вы можете создавать их с помощью любого текстового редактора (например, GEdit KWrite, Kate, vi и emacs). Помимо текстовых редакторов, существуют специализированные среды разработки с собственным встроенным редактором. Одним из таких инструментов является KDevelop.

Рассмотрим структуру драйвера Linux на примере USB-устройства. Простой интерфейс скрывает все алгоритмы для отправки запросов, отслеживания подтверждений, контроля ошибок и др. В ядре программные файлы расположены в drivers / usb/, а заголовочные файлы - в include/linux/. Информация, представленная в этих каталогах, достаточна для записи драйвера для любого USB-устройства.

Драйверы, работающие с USB-устройством, обычно выполняют следующие действия:

1. Регистрация (выгрузка) водителя

2. реестр (удалить) устройство

3. обмен данными (менеджер и информация).

USB-устройства всегда отвечают на запросы хост-компьютера - они не могут отправлять информацию самостоятельно. Существует только одно исключение: после того, как хост перевел устройство в режим ожидания, устройство может отправить запрос удаленного пробуждения. Во всех остальных случаях хост формирует запросы, а устройства отвечают на них.

Хост всегда является мастером, и обмен данными должен осуществляться в обоих направлениях: отправляя пакет с флагом OUT, хост отправляет данные на устройство, а отправляя пакет с флагом IN, хост отправляет запрос на получение данных с устройства.

По USB может передаваться несколько типов пакетов:

Token - запрос, содержит управляющую информацию: направление операции (IN, OUT), номер endpoint

Data - пакет данных

Handshake - служебные пакеты, могут содержать подтверждение (ACK), сообщение об ошибке, отказ (NACK)

Special - служебные пакеты, такие как PING

Спецификация USB определяет 4 типа потоков данных:

1. bulk transfer - предназначен для пакетной передачи данных. Поддерживаются оба направления - IN и OUT.

2. control transfer - предназначен для конфигурирования и управления устройством. Направления - IN (status) и OUT(setup, control).

3. interrupt transfer - похож на bulk. Этот тип гарантирует, что устройство будет опрашиваться (то есть хост будет отсылать ему token "IN") хостом с заданным интервалом. Направление - IN.

4. isochronous transfer - предназначен для передачи данных без управления потоком. Область применения - аудио-потоки, видео-потоки. Предусмотрен контроль ошибок (на приемной стороне) по CRC16. Направления - IN и OUT.

Endpoint No.0 имеет особое значение для USB. Это Control EP. Он должен быть в каждом USB-устройстве. Этот EP использует token "setup", чтобы сигнализировать, что данные, отправляемые после него, предназначены для управления устройством.

Используя этот EP0, хост может передавать setup-пакет длиной 8 байт и данные, которые следуют за этим пакетом. Во многих случаях может хватать передачи только setup-пакета. Однако устройство может использовать и передачу данных по EP0, например для смены прошивок компонентов устройства, или получения расширенной информации об устройстве.

Уже упоминалось, что каждое устройство обязано обеспечить доступ к EP0. Но кроме этого, оно еще должно отвечать на запросы, указанные в спецификации USB для EP0. Пользуясь этими запросами и происходит распознавание устройства в системе.

Алгоритм детектирования нового устройства следующий:

1. хост отсылает setup-пакет "Get Descriptor" (wValue = "device").

2. хост получает идентифицирующую информацию об устройстве

3. хост отсылает setup-пакет "Set address", после чего устройство

получает уникальный адрес в системе

4. хост отсылает остальные setup-пакеты "Get Descriptor" и получает

дополнительную информацию об устройстве: количество EP, требования к питанию, и т.п.

Возникшие проблемы при разработке заключались в недостаточности статей о некоторых функциях или сложности в переводе литературы иностранных разработчиков.

Драйвер готов к работе, исходный код останется открытым для его возможного дальнейшего развития.

6. The Linux Kernel Module Programming Guide Peter Jay Salzman Michael Burian Ori Pomerantz Copyright © 2001 Peter Jay Salzman 2007−05−18 ver 2.6.4