全新Linux设备驱动开发详解宋宝华 编著9787111507895

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序一
序二
前言
章Linux设备驱动概述及开发环境构建
1.1设备驱动的作用
1.2无操作系统时的设备驱动
1.3有操作系统时的设备驱动
1.4Linux设备驱动
1.4.1设备的分类及特点
1.4.2Linux设备驱动与整个软硬件系统的关系
1.4.3Linux设备驱动的重点、难点
1.5Linux设备驱动的开发环境构建
1.5.1PC上的Linux环境
1.5.2EMU实验平台
1.5.3源代码阅读和编辑
1.6设备驱动HelloWorld：LED驱动
1.6.1无操作系统时的LED驱动
1.6.2Linux下的LED驱动
第2章驱动设计的硬件基础
2.1处理器
2.1.1通用处理器
2.1.2数字信号处理器
2.2存储器
.接口与总线
..1串口
..2I2C
..SPI
..4USB
..5以太网接口
..PCI和PCIE
..SD和SDIO
2.4CPLD和FPGA
2.5原理图分析
2.6硬件时序分析
2.6.1时序分析的概念
2.6.2典型的硬件时序
2.7芯片数据手册阅读方法
2.8仪器仪表使用
2.8.1万用表
2.8.2示波器
2.8.3逻辑分析仪
2.9总结
第3章Linux内核及内核编程
3.1Linux内核的发展与演变
3.2Linux2.6后的内核特点
3.3Linux内核的组成
3.3.1Linux内核源代码的目录结构
3.3.2Linux内核的组成部分
3.3.3Linux内核空间与用户空间
3.4Linux内核的编译及加载
3.4.1Linux内核的编译
3.4.2Kconfig和Makefile
3.4.3Linux内核的引导
3.5Linux下的C编程特点
3.5.1Linux编码风格
3.5.2GNUC与ANSIC
3.5.3dowhile（0）语句
3.5.4goto语句
3.6工具链
3.7实验室建设
3.8串口工具
3.9总结
第4章Linux内核模块
4.1Linux内核模块简介
4.2Linux内核模块程序结构
4.3模块加载函数
4.4模块卸载函数
4.5模块参数
4.6导出符号
4.7模块声明与描述
4.8模块的使用
4.9模块的编译
4.10使用模块“绕开”GPL
4.11总结
第5章Linux文件系统与设备文件
5.1Linux文件作 5.1.1文件操作系统调用
5.1.2C库文件作 5.2Linux文件系统
5.2.1Linux文件系统目录结构
5.2.2Linux文件系统与设备驱动
5.3devfs
5.4udev用户空间设备管理
5.4.1udev与devfs的区别
5.4.2sysfs文件系统与Linux设备模型
5.4.3udev的组成
5.4.4udev规则文件
5.5总结
第6章字符设备驱动
6.1Linux字符设备驱动结构
6.1.1cdev结构体
6.1.2分配和释放设备号
6.1.3f?ile_oraios结构体
6.1.4Linux字符设备驱动的组成
6.2globalmem虚拟设备实例描述
6.3globalmem设备驱动
6.3.1头文件、宏及设备结构体
6.3.2加载与卸载设备驱动
6.3.3读写函数
6.3.4seek函数
6.3.5ioctl函数
6.3.6使用文件私有数据
6.4globalmem驱动在用户空间中的验
6.5总结
第7章Linux设备驱动中的并发控制
7.1并发与竞态
7.2编译乱序和执行乱序
7.3中断屏蔽
7.4原子作 7.4.1整型原子作 7.4.2位原子作 7.5自旋锁
7.5.1自旋锁的使用
7.5.2读写自旋锁
7.5.3顺序锁
7.5.4读复制更新
7.6信号量
7.7互斥体
7.8完成量
7.9增加并发控制后的globalmem的设备驱动
7.10总结
第8章Linux设备驱动中的阻塞与非阻塞I/O
8.1阻塞与非阻塞I/O
8.1.1等待队列
8.1.2支持阻塞操作的globalfifo设备驱动
8.1.3在用户空间验globalfifo的读写
8.2轮询作 8.2.1轮询的概念与作用
8.2.2应用程序中的轮询编程
8..设备驱动中的轮询编程
8.3支持轮询操作的globalfifo驱动
8.3.1在globalfifo驱动中增加轮询作 8.3.2在用户空间中验globalfifo设备的轮询
8.4总结
第9章Linux设备驱动中的异步通知与异步I/O
9.1异步通知的概念与作用
9.2Linux异步通知编程
9.2.1Linux信号
9.2.2信号的接收
9..信号的释放
9.3支持异步通知的globalfifo驱动
9.3.1在globalfifo驱动中增加异步通知
9.3.2在用户空间中验globalfifo的异步通知
9.4Linux异步I/O
9.4.1AIO概念与GNUC库AIO
9.4.2Linux内核AIO与libaio
9.4.3AIO与设备驱动
9.5总结
0章中断与时钟
10.1中断与定时器
10.2Linux中断处理程序架构
10.3Linux中断编程
10.3.1申请和释放中断
10.3.2使能和屏蔽中断
10.3.3底半部机制
10.3.4实例：GPIO按键的中断
10.4断享
10.5内核定时器
10.5.1内核定时器编程
10.5.2内核中延迟的工作delayed_work
10.5.3实例：秒字符设备
10.6内核
10.6.1短延迟
10.6.2长延迟
10.6.3睡着延迟
10.7总结
1章内存与I/O访问
11.1CPU与内存、I/O
11.1.1内存空间与I/O空间
11.1.2内存管理单元
11.2Linux内存管理
11.3内存存取
11.3.1用户空间内存动态申请
11.3.2内核空间内存动态申请
11.4设备I/O端口和I/O内存的访问
11.4.1LinuxI/O端口和I/O内存访问接口
11.4.2申请与释放设备的I/O端口和I/O内存
11.4.3设备I/O端口和I/O内存访问流程
11.4.4将设备地址映到用户空间
11.5I/O内存静态映
11.6DMA
11.6.1DMA与Cache一致
11.6.2Linux下的DMA编程
11.7总结
2章Linux设备驱动的软件架构思想
12.1Linux驱动的软件架构
12.2platform设备驱动
12.2.1platform总线、设备与驱动
12.2.2将globalfifo作为platform设备
12..platform设备资源和数据
1.设备驱动的分层思想
1..1设备驱动核心层和例化
1..2输入设备驱动
1..RTC设备驱动
1..4Framebuffer设备驱动
1..5终端设备驱动
1..misc设备驱动
1..驱动核心层
12.4主机驱动与外设驱动分离的设计思想
12.4.1主机驱动与外设驱动分离
12.4.2LinuxSPI主机和设备驱动
12.5总结
3章Linux块设备驱动
13.1块设备的I/O操作特点
13.2Linux块设备驱动结构
13.2.1block_device_oraios结构体
13.2.2gendisk结构体
13..bio、request和request_queue
13.2.4I/O调度器
13.3Linux块设备驱动的初始化
13.4块设备的打开与释放
13.5块设备驱动的ioctl函数
13.6块设备驱动的I/O请求处理
13.6.1使用请求队列
13.6.2不使用请求队列
13.7实例：vmem_disk驱动
13.7.1vmem_disk的硬件原理
13.7.2vmem_disk驱动模块的加载与卸载
13.7.3vmem_disk设备驱动的block_device_oraios
13.7.4vmem_disk的I/O请求处理
13.8LinuxMMC子系统
13.9总结
4章Linux网络设备驱动
14.1Linux网络设备驱动的结构
14.1.1网络协议接口层
14.1.2网络设备接口层
14.1.3设备驱动功能层
14.2网络设备驱动的注册与注销
14.3网络设备的初始化
1.络设备的打开与释放
14.5数据发送流程
14.6数据接收流程
14.7网络连接状态
14.8参数设置和统据
14.9DM9000网卡设备驱动实例
14.9.1DM9000网卡硬件描述
14.9.2DM9000网卡驱动设计分析
14.10总结
5章LinuxI2C核心、总线与设备驱动
15.1LinuxI2C体系结构
15.2LinuxI2C核心
15.3LinuxI2C适配器驱动
15.3.1I2C适配器驱动的注册与注销
15.3.2I2C总线的通信方法
15.4LinuxI2C设备驱动
15.4.1LinuxI2C设备驱动的模块加载与卸载
15.4.2LinuxI2C设备驱动的数据传输
15.4.3Linux的i2cdev.c文件分析
15.5TegraI2C总线驱动实例
15.6AT24xxEEPROM的I2C设备驱动实例
15.7总结
6章USB主机、设备与Gadget驱动
16.1LinuxUSB驱动层次
16.1.1主机侧与设备侧USB驱动
16.1.2设备、配置、接口、端点
16.2USB主机控制器驱动
16.2.1USB主机控制器驱动的整体结构
16.2.2实例：ChipideaUSB主机驱动
16.3USB设备驱动
16.3.1USB设备驱动的整体结构
16.3.2USB请求块
16.3.3探测和断开函数
16.3.4USB骨架程序
16.3.5实例：USB键盘驱动
16.4USBUDC与Gadget驱动
16.4.1UDC和Gadget驱动的关键数据结构与API
16.4.2实例：ChipideaUSBUDC驱动
16.4.3实例：LoopbackFunction驱动
16.5USBOTG驱动
16.6总结
7章I2C、SPI、USB驱动架构类比
17.1I2C、SPI、USB驱动架构
17.2I2C主机和外设眼里的Linux世界
8章ARMLinux设备树
18.1ARM设备树起源
18.2设备树的组成和结构
18.2.1DTS、DTC和DTB等
18.2.2根节点兼容
18..设备节点兼容
18.2.4设备节点及label的命名
18.2.5地址编码
18.2.6中断连接
18.2.7GPIO、时钟、pinmux连接
18.3由设备树引发的BSP和驱动变更
18.4常用的OFAPI
18.5总结
9章Linux电源管理的系统架构和驱动
19.1Linux电源管理的全局架构
19.2CPUFreq驱动
19.2.1SoC的CPUFreq驱动实现
19.2.2CPUFreq的策略
19..CPUFreq的能测试和调优
19.2.4CPUFreq通知
19.3CPUIdle驱动
19.4PowerTop
19.5Regulator驱动
19.6OPP
19.7PMoS
19.8CPU热拔 19.9挂起到RAM
19.10运行时的PM
19.11总结
第20章Linux芯片级移植及底层驱动
20.1ARMLinux底层驱动的组成和现状
20.2内核节拍驱动
20.3中断控制器驱动
20.4SMP多核启动以及CPU热插拔驱动
20.5DEBUG_LL和EARLY_PRINTK的设置
20.6GPIO驱动
20.7pinctrl驱动
20.8时钟驱动
20.9dmaengine驱动
20.10总结
2章Linux设备驱动的调试
21.1GDB调试器的用法
21.1.1GDB的基本用法
21.1.2DDD图形界面调试工具
21.2Linux内核调试
21.3内核打印信息--printk（）
21.4DEBUG_LL和EARLY_PRINTK
21.5使用“/proc”
21.6Oops
21.7BUG_ON（）和WARN_ON（）
21.8strace
21.9KGDB
21.10使用器调试内核
21.11应用程序调试
21.12Linux能监控与调优工具
21.13总结

宋宝华，Linux布道者，知名嵌入式系统专家，《Essential Linux Device Drivers》译者。作为很早从事Linux内核与设备驱动研究的专家之一，他在众多靠前外知名企业开展Linux技术培训。他也是一位活跃的Linux开发者和深度实践者，为Linux官方内核贡献了大量的Linux源码并承担代码审核工作。至今已向Linux官方内核提交逾数万行代码和几百个补丁。他的《Linux设备驱动开发详解》系列书在嵌入式Linux开发者中有口皆碑，是众多Linux书籍中为数不多的书。

前??言Linux从未停歇前进的脚步。Linus Torvalds，伟大的程序员之一，Linux内核的创始人，Git的，现在仍然在没日没夜地合并补丁、升级内核。做技术的人，从来没有终南捷径，拼得就是坐冷板凳的傻劲。 这是一个连阅读都被碎片化的时代，在这样一个时代，人们趋向于激进、浮躁，内心的不安宁使我们极难静下心来研究什么。我见过许多Linux，他们的简历上写着“精通”Linux内核，有多年的工作经验，而他们的“精通”却只是把某个寄存器从0改成1，从1改成0的不断重复；我也见过许多Linux，他们终日埋头苦干，敲打着自己的机器和电路板，却从未冷静下来思考，并不断重构和升华自己的知识体系。 这是要把“牢底”坐穿的程序员，这样“忙忙碌碌”的程序员，从来都不算是好程序员。 对于的程序员，其的品质是能够心平气和地学习与思考问题，透析代码背后的架构、原理和设计思想。没有思想的代码是垃圾代码，没有思想的程序员，只是在完成低水平重复建设的体力活。很多程序员从不过问自己写的代码在机器里面是怎么跑的，很多事情莫名其妙地发生了，很多bug莫名其妙地消失了……他们永远都在得过且过。 由此，衍生出了本书的个出发点，那就是带给读者更多关于Linux开发思想的讲解，帮读者奠定根基。本书呈现给读者的更多的是一种思考方法，而不是知识点的简单罗列。 本书除对基础理论部分进行了详细的讲解外，还加强了对驱动编程所涉及的Linux内核层机理的讲解，内容包括中断、定时器、进程生命周期、uevent、并发、编译乱序、执行乱序、等待队列、I/O模型、内存管理等。这些知识点重要，是真正明程序员理解了Linux的部分内容，程序员只有打好根基，才能游刃有余。 本书没有大量描述各种具体驱动类型的章节，如Sound、PCI、MTD、tty等，而将更多的焦点转移到了驱动编程背后的内核原理，并试图从Linux内核的上百个驱动子系统中寻找出内部规律，以培养读者举一反三的能力。 Linux内核有上百个驱动子系统，这一点从内核的drivers子目录中就可以看出来： 好吧，傻子才会一个目录一个目录地去看，一个目录一个目录地从头学起。我们势必要寻找各种驱动子系统的共，摸索规律。在本书中，我们将更多地看到各驱动子系统的类比，以及驱动子系统的层次化设计。 技术工作从来都不能一劳永逸。世界变化得太快，当前技术革新的速度数倍于我们父辈、祖辈、祖祖辈经历过的任何时代。明你是“真球迷”还是“伪球迷”的时候到了，这个时代是伪程序员的地狱，也是真程序员的天堂。 从浩如烟海的知识体系、不断更新的软件版本中终生学习，不断攻克一个个挑战，获取新养分，寻找新灵感，这实在是黑暗的码农生涯中不断闪现的璀璨光芒。 Linux的内核版本不断更新，出现了Linux 3.0、Linux 3.1、Linux 3.2、…、Linux 3.19、Linux 4.0、Linux 4.1，变化的是软件的架构，不变的是Linus的热情。 这无疑也是本书的第二个出发点，更新Linux驱动编程的知识体系以迎合的时代需求。因此，本书有大量关于设备树、ARM Linux移植、Linux电源管理、GPIO、时钟、定时器、pinmux、DMA等内容。我们的操作平台也转移到了EMU模拟的4核Cortex-A9电路板上，书中的实例基本都转移到了市面流行的新芯片上。 近两三年，老是听许多程序员抱怨，市面上缺乏讲解新内核的资料、缺乏从头到尾讲解设备树的资料，但是我想说，这实在不是什么难点。难点仍然是本书基于个出发点要解决的问题，如果有好的基础，以程序员极强的学习能力，应该很快就可以掌握这些新知识。机制没有变，变化的只是策略。 因此学习能力也是程序员的又一个重要品质。没有人生下来就是天才，良好的学习能力也是通过后天的不断学习培养的。可以说，学得越多的人，学新东西的速度一定越快，学习能力也变得越强。因为，知识的共通实在太多。 读者在阅读本书时，不应该企图把它当成一本工具书和查API的书，而是应该把它当作一本梳理理论体系、开发思想、软件架构的书。唯如此，我们才能适应未来新的变化。 时代的滚滚车轮推动着Linux内核的版本不断向前，也推动着每个人的人生。红尘滚滚，我不去想能够成功，既然选择了远方，便只顾风雨兼程。 ，本书能得以出版，要感谢带领我向前的人生导师和我的众多小伙伴，他们或者在我人生的关键时刻改变了我，或者给我黑暗的程序生涯带来了无尽的快乐和动力。我的小伙伴，他们力挺我、鼓励我，也辱骂我、奚落我，这些都是真挚的友情。 谨以此书，致以对杨平先生、何昭然、方毅伟、李华毅、宋志武、杜向龙、叶祥振、刘昊、王榕、何晔、王立赛、曾过、刘永生、段丙华、章君义、王文琪、卢鹏、刘涛、徐西宁、吴赫、任桥伟、秦龙廷、胡良兵、张家旺、王雷、Bryan Wu、Eric Miao、Cliff Cai、ipan Li、Guoying Zhang、陈健松、Haoyu Zhong、刘洪涛、季久峰、邴杰、孙志忠、吴国举、Bob Liu、赵小吾、EJ Zhao、贺亚锋、刘仕杰、Hao Yin等老师和小伙伴的深深感激；谨以此书，致以对我的父母大人、老婆大人、兄长和姐姐、伟大丈母娘的深深感激，本书的写作时间超过一年，其过程是一种巨大的肉体和精神折磨，没有他们的默默支持和不断鞭策，本书是不可能完成的；谨以此书，对为本书做出巨大贡献的编辑、策划老师，尤其是张国强老师致以深深的感激！ 由于篇幅的关系，我没有办法一一列举我要感激的所有人，但是，这些年从你们那里获得的，远远大于我付出的，所以，在内心深处，唯有怀着对你们的深深感恩，不断前行。岁月如歌，吾歌狂行。 全书结构本书首先介绍Linux设备驱动的基础。章简要地介绍了设备驱动，并从无操作系统的设备驱动引出了Linux操作系统下的设备驱动，介绍了本书所基于的开发环境。第2章系统地讲解了Linux驱动应该掌握的硬件知识，为打下Linux驱动编程的硬件基础，详细介绍了各种类型的CPU、存储器和常见的外设，并阐述了硬件时序分析方法和数据手册阅读方法。第3章将Linux设备驱动放在Linux 2.6内核背景中进行讲解，说明Linux内核的编程方法。由于驱动编程也在内核编程的范畴，因此，这一章实质是为编写Linux设备驱动打下软件基础。 其次，讲解Linux设备驱动编程的基础理论、字符设备驱动及设备驱动设计中涉及的并发控制、同步等问题。第4、5章分别讲解Linux内核模块和Linux设备文件系统；第6～9章以虚拟设备globalmem和globalfifo为主线，逐步给其添加不错控制功能；0、11章分别阐述Linux驱动编程中所涉及的中断和定时器、内核和I/O操作处理方法。 接着，剖析复杂设备驱动的体系结构以及块设备、网络设备驱动。该篇讲解了设备与驱动的分离、主机控制器驱动与外设驱动的分离，并以大量实例（如input、tty、LCD、platform、I2C、SPI、USB等）来佐。其中2章和7章遥相呼应，力图全面地展示驱动的架构。Linux有100多个驱动子系统，逐个讲解和学习都是不现实的，授人以鱼不如授人以渔，因此我们将更多的焦点放在了架构讲解方面，以便读者可以举一反三。 本书4章分析了Linux的设备树、Linux移植到新的SoC上的具体工作以及Linux内核和驱动的一些调试方法。这些内容，对于理解如何从头开始搭建一个Linux，以及整个Linux板级支持包上上下下的关系尤为重要。 另外，本书的主要代码都引用自Linux源代码，为保留原汁原味，均延用了代码的英文注释，而非引用的代码则使用了中文注释或无注释，特此说明。 本书配套的相关素材和代码，读者均可从与本书相关的公众号中获得，相关公众号是：Linuxer，欢迎扫描二维码。 宋宝华2015年4月于上海浦东