Kenntnisse über die Entwicklung von Linux-Gerätetreibern 

DMZ –  TIPPS ¦ Maya West ¦                                                        

Eines der großen Segmente in der IT-Branche ist heute die Entwicklung von Gerätetreibern - speziell entwickelte Software, die die Kommunikation von Hardware mit High-Level-Software ermöglicht. Mit Hilfe von Treibern können Sie physische Geräte steuern und dafür sorgen, dass sie wie vorgesehen funktionieren. Dies ist besonders wichtig für eingebettete Lösungen und den schnell wachsenden Markt des Internets der Dinge. 

Entwicklung von Linux Gerätetreibern ist eine der am meisten nachgefragten Dienstleistungen von IT-Unternehmen, da Linux die Grundlage für die meisten modernen IoT- und embedded Projekte ist. In diesem Artikel bieten wir einen kurzen Überblick über das Linux-Betriebssystem und den Prozess der Entwicklung von Treibern für dieses Betriebssystem. 

Was ist Linux? 

Linux ist ein Betriebssystem (oder genauer gesagt eine Familie von Systemen), das von Unix abstammt und auf dem Linux-Kernel basiert, der 1991 von Linus Torvalds entwickelt wurde. Seit mehr als zwei Jahrzehnten ist Linux das Hauptsystem für mobile Geräte, Server, eingebettete Lösungen und sogar Personal Computer.   

Dank des freien und quelloffenen Modells tragen weltweit Tausende von Spezialisten zu Linux bei, die die Technologie erheblich verbessern und um neue Funktionen erweitern. 

Außerdem ist Linux plattformunabhängig, was bedeutet, dass der größte Teil seines Quellcodes nicht von der Hardwareplattform abhängt, auf der es läuft. Das Betriebssystem benötigt Treiber, um auf einer bestimmten Hardware arbeiten zu können, da die Treiber Daten über die Gerätefunktionen enthalten. 

Linux-Systemarchitektur 

Jedes auf Linux basierende System besteht aus einer Reihe typischer Elemente: 

• Hardware - physische Geräte (z. B. Drucker, Terminals, Festplatten).  
• Kernel - das Herzstück des Betriebssystems, das direkt mit der Hardwareschicht kommuniziert und Daten von ihr an die oberen Elemente weiterleitet.    
• Shell - eine Schnittstelle, die die Interaktion zwischen Benutzern und dem Kernel ermöglicht. Sie leitet die Befehle der Benutzer an den zentralen Teil des Betriebssystems weiter und führt Operationen aus, wodurch die Komplexität der Funktionsweise des Kernels verborgen wird.  
• Anwendungen - Linux-Distributionen bieten App-Stores, in denen Benutzer Anwendungen finden können, die ihren Anforderungen entsprechen, und diese auf dem System installieren können.   
• Bootloader - ein Softwareprogramm, das für die Platzierung eines Betriebssystems im Hardwarespeicher verantwortlich ist. Die am häufigsten verwendeten Bootloader für Linux sind LILO und LOADLIN. 

Merkmale und Vorteile von Linux OS 

• Frei und quelloffen - mehrere Teams und einzelne Entwickler aus der ganzen Welt können den Linux-Quellcode frei nutzen und verändern, Verbesserungen vornehmen und neue Funktionen hinzufügen, weshalb sich diese Technologie ständig weiterentwickelt.    
• Portabel - Sie können Linux-Software auf jeder beliebigen Hardware-Plattform installieren, und sie läuft einwandfrei. Diese Eigenschaft gewährleistet die Flexibilität von Linux-basierten Projekten und gibt den Softwareentwicklern mehr Freiheit.   
• Geringes Gewicht - im Vergleich zu anderen Betriebssystemen ist Linux ein geringes Gewicht. Es benötigt weniger Arbeitsspeicher und Speicherplatz, was für eingebettete Lösungen und das Internet der Dinge unerlässlich ist.   
• Mehrsprachig - Linux kann in verschiedenen Sprachen verwendet werden und ist daher geografisch weit verbreitet.    
• Sicher - Das Linux-Betriebssystem bietet eine durchgängige Verschlüsselung und Authentifizierung, um kritische Daten sicher zu halten. 

Was sind Gerätetreiber?  

Gerätetreiber spielen im Linux-Kernel eine besondere Rolle. Dabei handelt es sich um Low-Level-Software, die bestimmte Anfragen an die Hardware über eine gut organisierte interne Schnittstelle verarbeitet. Normalerweise ist ein Gerätetreiber eine gemeinsam genutzte Bibliothek, die die besonderen Merkmale von Hardwaregeräten behandelt. Sie können jedoch auch einen Treiber für ein bestimmtes Gerät erstellen. 

Die Betriebsfunktionen der einzelnen Geräte sind im Treibercode verborgen. Benutzeranfragen werden über einen Standardsatz von Systemaufrufen gesendet, der nicht von einem bestimmten Treiber, sondern eher von der Geräteklasse abhängt. Diese Anfragen werden auf hardwarespezifische Funktionen abgebildet, die die tatsächlichen Geräte steuern. Und die Gerätetreiber spielen die Rolle dieses Funktionssatzes. 

Entwicklung von Linux-Gerätetreibern: Was Sie wissen müssen 

Wenn Sie ein Unternehmen sind und Gerätetreiber für Ihr Projekt benötigen, sollten Sie sich an ein Unternehmen für Embedded-IT-Lösungen wenden, das entsprechende Entwicklungsdienste anbietet. Ihre Spezialisten sind erfahren in der Entwicklung, Aktualisierung, Verpackung und Portierung von Treibern und können Ihr Problem leicht lösen. 

• Für diejenigen, die ihre Karriere als Embedded-Entwickler beginnen, geben wir einige Tipps, was Sie wissen müssen, um einen Treiber für Linux zu schreiben. 
• Zunächst sollten Sie die Funktionsprinzipien von Linux selbst verstehen. Eigentlich sind die Phasen der Treiberentwicklung für alle Betriebssysteme ähnlich, sei es Windows, Linux oder ein anderes Betriebssystem. Wenn Sie einmal einen Treiber für Windows geschrieben haben, wird es nicht schwierig sein, einen Linux-Treiber zu erstellen, aber Sie müssen sich einen Überblick über das System verschaffen.  
• Außerdem sollten Sie die Sprachen C und Assembler beherrschen, da der Kernel des Betriebssystems in diesen Sprachen geschrieben ist.  
• Natürlich sollten Sie die Besonderheiten der Hardware kennen, für die Sie Software schreiben werden: die Art des Geräts (SoC, SoM usw.), die Art der Busschnittstelle, das verwendete Kommunikationsprotokoll, wie man das Gerät im System erkennt und initialisiert usw.   
• Und schließlich brauchen Sie Geduld und Lust, die Dokumentation und den Quellcode zu lesen. 

Die Programmierschnittstelle bietet zwei Möglichkeiten zur Erstellung von Treibern: 

1. Implementierung von Treibern als Teil des Kernels, d. h. Schaffung eines integrierten Systems.  
2. Schreiben Sie separate Module (spezifische Dateien) und verbinden Sie sie bei Bedarf mit dem Kernel. Diese Option ist effizienter, da Sie den Kernel nicht neu kompilieren müssen und somit Probleme vermeiden und Dateien einfacher verwalten können. 

Um mit dem Schreiben Ihres ersten Treibers für Linux zu beginnen, folgen Sie den Anweisungen in der Entwicklungsdokumentation. 

Wenn Sie zum Beispiel einen Modultreiber schreiben, müssen Sie als erstes die Funktionen load und unload erstellen. Die Funktion my_init initialisiert Ihren Treiber beim Starten des Systems, und die Funktion my_exit entlädt ihn beim Herunterfahren des Systems. 

Sobald Ihr einfacher Treiber fertig ist, kann er mit speziellen Dateien im Gerätebaum interagieren. Gerätedateien sind in zwei Typen unterteilt: 

• Zeichendateien - stellen Daten Zeichen für Zeichen dar  
• Blockdateien - stellen Daten in Blöcken dar 

Die letzte, aber nicht weniger wichtige Phase der Treibererstellung ist das Testen. Sie können eine virtuelle Maschine oder ein physisches Gerät für die Feinabstimmung und das Debugging Ihres Treibers verwenden. Es gibt auch Tools wie SymDrive, die den Einsatz von Hardware zum Testen überflüssig machen. 

Schlussfolgerung 

Eine überwältigende Mehrheit der eingebetteten Lösungen basiert heutzutage auf Linux-Betriebssystemen. Gerätetreiber spielen eine entscheidende Rolle für das Funktionieren dieses Betriebssystems. Deshalb ist die Nachfrage nach Treiberentwicklungsdiensten nach wie vor hoch. 

In diesem Artikel haben wir die grundlegenden Informationen über Linux beschrieben und was Sie wissen sollten, um eigene Gerätetreiber von Grund auf zu schreiben.