Linux系統(tǒng)關系族譜圖：應用程序、內核、驅動程序、硬件詳解

目前，Linux軟件工程師大致可分為兩個層次：

01Linux應用軟件工程師（Application Software Engineer）：

主要利用C庫函數(shù)和Linux API進行應用軟件的編寫；

從事這方面的開發(fā)工作，主要需要學習：符合linux posix標準的API函數(shù)及系統(tǒng)調用，linux的多任務編程技巧：多進程、多線程、進程間通信、多任務之間的同步互斥等，嵌入式數(shù)據庫的學習，UI編程：QT、miniGUI等。

02Linux固件工程師（Firmware Engineer）：

主要進行Bootloader、Linux的移植及Linux設備驅動程序的設計工作。

一般而言，固件工程師的要求要高于應用軟件工程師的層次，而其中的Linux設備驅動編程又是Linux程序設計中比較復雜的部分，究其原因，主要包括如下幾個方面：

1 ） 設備驅動屬于Linux內核的部分，編寫Linux設備驅動需要有一定的Linux操作系統(tǒng)內核基礎；需要了解部分linux內核的工作機制與系統(tǒng)組成

2）編寫Linux設備驅動需要對硬件的原理有相當?shù)牧私猓蠖鄶?shù)情況下我們是針對一個特定的嵌入式硬件平臺編寫驅動的，例如：針對特定的主機平臺：可能是三星的2410、2440，也可能是atmel的，或者飛思卡爾的等等

3 ） Linux設備驅動中廣泛涉及到多進程并發(fā)的同步、互斥等控制，容易出現(xiàn)bug；因為linux本身是一個多任務的工作環(huán)境，不可避免的會出現(xiàn)在同一時刻對同一設備發(fā)生并發(fā)操作

4 ） 由于屬于內核的一部分，Linux設備驅動的調試也相當復雜。linux設備驅動沒有一個很好的IDE環(huán)境進行單步、變量查看等調試輔助工具；linux驅動跟linux內核工作在同一層次，一旦發(fā)生問題，很容易造成內核的整體崩潰。

在任何一個計算機系統(tǒng)中，大至服務器、PC機、小至手機、mp3/mp4播放器，無論是復雜的大型服務器系統(tǒng)還是一個簡單的流水燈單片機系統(tǒng)，都離不開驅動程序的身影，沒有硬件的軟件是空中樓閣，沒有軟件的硬件只是一堆廢鐵，硬件是底層的基礎，是所有軟件得以運行的平臺，代碼最終會落實到硬件上的邏輯組合。

但是硬件與軟件之間存在一個駁論：為了快速、優(yōu)質的完成軟件功能設計，應用程序工程師不想也不愿關心硬件，而硬件工程師也很難有功夫去處理軟件開發(fā)中的一些應用。例如軟件工程師在調用printf的時候，不許也不用關心信息到底是通過什么樣的處理，走過哪些通路顯示在該顯示的地方，硬件工程師在寫完了一個4*4鍵盤驅動后，無需也不必管應用程序在獲得鍵值后做哪些處理及操作。

也就是說軟件工程師需要看到一個沒有硬件的純軟件世界，硬件必須透明的提供給他，誰來實現(xiàn)這一任務？答案是驅動程序，驅動程序從字面解釋就是：“驅使硬件設備行動”。驅動程序直接與硬件打交道，按照硬件設備的具體形式，驅動設備的寄存器，完成設備的輪詢、中斷處理、DMA通信，最終讓通信設備可以收發(fā)數(shù)據，讓顯示設備能夠顯示文字和畫面，讓音頻設備可以完成聲音的存儲和播放。

可見，設備驅動程序充當了硬件和軟件之間的樞紐，因此驅動程序的表現(xiàn)形式可能就是一些標準的、事先協(xié)定好的API函數(shù)，驅動工程師只需要去完成相應函數(shù)的填充，應用工程師只需要調用相應的接口完成相應的功能。無論有沒有操作系統(tǒng)，驅動程序都有其存在價值，只是在裸機情況下，工作環(huán)境比較簡單、完成的工作較單一，驅動程序完成的功能也就比較簡單，同時接口只要在小范圍內符合統(tǒng)一的標準即可。但是在有操作系統(tǒng)的情況下，此問題就會被放大：硬件來自不同的公司、千變萬化，全世界每天都會有大量的新芯片被生產，大量的電路板被設計出來，如果沒有一個很好的統(tǒng)一標準去規(guī)范這一程序，操作系統(tǒng)就會被設計的非常冗余，效率會非常低。

所以無論任何操作系統(tǒng)都會制定一套標準的架構去管理這些驅動程序：linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的典范，其驅動架構具有很高的規(guī)范性與聚合性，不但把不同的硬件設備分門別類、綜合管理，并且針對不同硬件的共性進行了統(tǒng)一抽象，將其硬件相關性降到最低，大大簡化了驅動程序的編寫，形成了具有其特色的驅動組織架構。

下圖反映了應用程序、linux內核、驅動程序、硬件的關系。

linux內核分為5大部分：多任務管理、內存管理、文件系統(tǒng)管理、設備管理、網絡管理；

每一部分都有承上下的作用，對上提供API接口，提供給應用開發(fā)工程師使用；

對下通過驅動程序屏蔽不同的硬件構成，完成硬件的具體操作。