在嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)中，通過編程控制硬件資源是至關(guān)重要的技能之一，今天跟各位小伙伴分享一篇專注于介紹如何使用C庫(kù)函數(shù)控制ELF 1開發(fā)板LED的學(xué)習(xí)筆記。

希望通過這篇學(xué)習(xí)筆記，讓屏幕前的小伙伴能深入理解Linux內(nèi)核對(duì)于底層硬件資源管理的抽象機(jī)制，為進(jìn)行復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

一、系統(tǒng)調(diào)用與庫(kù)函數(shù)

（一）系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用（System Call）是操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的函數(shù)，在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行（Kernel Mode），是操作系統(tǒng)為用戶提供的一些接口。它通過軟中斷向內(nèi)核態(tài)發(fā)出一個(gè)明確的請(qǐng)求。有一些任務(wù)需要進(jìn)程跑在內(nèi)核態(tài)才能執(zhí)行，比如和硬件打交道。所以進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用就能讓自己運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)從而執(zhí)行這些類似的任務(wù)。系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)了用戶態(tài)進(jìn)程和硬件設(shè)備之間的大部分接口。

常見系統(tǒng)調(diào)用

Open, Close, Read, Write, Ioctl，F(xiàn)ork，Clone，Exit，Getpid，Access，Chdir，Chmod，Stat，Brk，Mmap等，需要包含Unistd.h等頭文件。

（二）庫(kù)函數(shù)

庫(kù)函數(shù)位于系統(tǒng)調(diào)用的上層，扮演著封裝和抽象的角色，運(yùn)行在用戶態(tài)（User Mode），旨在為程序員提供一種更為便捷的方式來調(diào)用真正實(shí)現(xiàn)底層功能的系統(tǒng)調(diào)用。這些庫(kù)函數(shù)充當(dāng)了用戶態(tài)服務(wù)的供給者，其功能實(shí)現(xiàn)機(jī)制各異：有的庫(kù)函數(shù)可能整合并包裝了一個(gè)或多個(gè)不同的系統(tǒng)調(diào)用，而有的庫(kù)函數(shù)則能夠直接在用戶態(tài)提供所需服務(wù)，無需進(jìn)一步調(diào)用任何系統(tǒng)調(diào)用。

（三）區(qū)別

系統(tǒng)調(diào)用通常不可替換，而庫(kù)函數(shù)通常可替換
普通的庫(kù)函數(shù)調(diào)用由函數(shù)庫(kù)或用戶自己提供，因此庫(kù)函數(shù)是可以替換的。例如，對(duì)于存儲(chǔ)空間分配函數(shù)malloc，如果不習(xí)慣它的操作方式，我們完全可以定義自己的malloc函數(shù)。

系統(tǒng)調(diào)用通常提供最小接口，而庫(kù)函數(shù)通常提供較復(fù)雜功能

例如sbrk系統(tǒng)調(diào)用分配一塊空間給進(jìn)程，而malloc則在用戶層次對(duì)這以空間進(jìn)行管理。

系統(tǒng)調(diào)用運(yùn)行在內(nèi)核空間，而庫(kù)函數(shù)運(yùn)行在用戶空間

因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用屬于內(nèi)核，和庫(kù)函數(shù)不屬于內(nèi)核。因此，如果當(dāng)用戶態(tài)進(jìn)程調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，CPU需要將其切換到內(nèi)核態(tài)，并執(zhí)行一個(gè)內(nèi)核函數(shù)。

內(nèi)核調(diào)用都返回一個(gè)整數(shù)值，而庫(kù)函數(shù)并非一定如此

在內(nèi)核中，整數(shù)或0表示系統(tǒng)調(diào)用成功結(jié)束，而負(fù)數(shù)表示一個(gè)出錯(cuò)條件。而出錯(cuò)時(shí)，內(nèi)核不會(huì)將其設(shè)置在errno，而是由庫(kù)函數(shù)從系統(tǒng)調(diào)用返回后對(duì)其進(jìn)行設(shè)置或使用。

POSIX 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)庫(kù)函數(shù)而不是系統(tǒng)調(diào)用

判斷一個(gè)系統(tǒng)是否與POSIX需要看它是否提供一組合適的應(yīng)用程序接口，而不管其對(duì)應(yīng)的函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的。因此從移值性來講，使用庫(kù)函數(shù)的移植性較系統(tǒng)調(diào)用更好。

系統(tǒng)調(diào)用運(yùn)行時(shí)間屬于系統(tǒng)時(shí)間，庫(kù)函數(shù)運(yùn)行時(shí)間屬于用戶時(shí)間

調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用開銷相對(duì)庫(kù)函數(shù)來說更大

很多庫(kù)函數(shù)本身都調(diào)用了系統(tǒng)調(diào)用，這得益于雙緩沖的實(shí)現(xiàn)，在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，都應(yīng)用了緩沖技術(shù)，對(duì)于文件讀寫來說，調(diào)用庫(kù)函數(shù)，可以大大減少調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)。而用戶進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用需要在用戶空間和內(nèi)核空間進(jìn)行上下文切換，開銷較大。如此以來，庫(kù)函數(shù)的開銷也就會(huì)比直接調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用小了。另外一方面，庫(kù)函數(shù)同樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的性能進(jìn)行優(yōu)化。

二、使用C庫(kù)函數(shù)控制LED

(一)實(shí)驗(yàn)代碼

參考3.2.1.2 文件 I/O 的方式控制 LED的例程將使用系統(tǒng)調(diào)用的部分改為使用庫(kù)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。代碼如下：

#include #include #include #define LED1_BRIGHTNESS "/sys/class/leds/led1/brightness" #define LED2_BRIGHTNESS "/sys/class/leds/led2/brightness" #define LED3_BRIGHTNESS "/sys/class/leds/led3/brightness" int main() { FILE *fd1, *fd2, *fd3; fd1 = fopen(LED1_BRIGHTNESS, "w"); if(fd1 < 0) { printf("Fail to Open %s device\n", LED1_BRIGHTNESS); exit(1); } fd2 = fopen(LED2_BRIGHTNESS, "w"); if(fd2 < 0) { printf("Fail to Open %s device\n", LED2_BRIGHTNESS); exit(1); } fd3 = fopen(LED3_BRIGHTNESS, "w"); if(fd3 < 0) { printf("Fail to Open %s device\n", LED3_BRIGHTNESS); exit(1); } while(1) { fwrite("1",3,1,fd1); fflush(fd1); sleep(1); fwrite("0",1,1,fd1); fflush(fd1); fwrite("1",3,1,fd2); fflush(fd2); sleep(1); fwrite("0",1,1,fd2); fflush(fd2); fwrite("1",3,1,fd3); fflush(fd3); sleep(1); fwrite("0",1,1,fd3); fflush(fd3); } fclose(fd1); fclose(fd2); fclose(fd3); return 0; }

（二）編譯、測(cè)試將代碼編譯后拷貝到ELF 1開發(fā)板進(jìn)行測(cè)試。

執(zhí)行LED2，查看結(jié)果

可以看到LED按照預(yù)期循環(huán)點(diǎn)亮

三、總結(jié)

本次實(shí)驗(yàn)使用C庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED的控制，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來感受系統(tǒng)調(diào)用與庫(kù)函數(shù)的區(qū)別。但是代碼中還有需要注意的地方。

代碼中調(diào)用fwrite函數(shù)寫入內(nèi)容時(shí)，它可能只是把內(nèi)容保存到了C庫(kù)的緩沖區(qū)，并沒有執(zhí)行真正的系統(tǒng)調(diào)用write函數(shù)把內(nèi)容寫入到設(shè)備文件，這種情況下LED燈的狀態(tài)是不會(huì)被改變的，代碼中在fwrite函數(shù)后調(diào)用了fflush要求立刻把緩沖區(qū)的內(nèi)容寫入到文件，確保 執(zhí)行了相應(yīng)的操作。在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以嘗試把代碼中的fflush都注釋掉，這種情況下有極大的幾率是無法正常改變LED燈狀態(tài)的。

如果不考慮操作的時(shí)間開銷，其實(shí)控制硬件更推薦的做法是，每次控制LED燈都使用fopen—fwrite—fclose的流程，這樣就不需要考慮flseek、fflush的問題了，但最推薦的還是直接通過系統(tǒng)調(diào)用來控制硬件的方式。