Linux设备驱动开发详解4.0内核(非扫描版)

本书介绍了Linux设备驱动开发理论、框架与实例，详细说明了自旋锁、信号量、完成量、中断顶/底半部、定时器、内存和I/O映射以及异步通知、阻塞I/O、非阻塞I/O等Linux设备驱动理论,以及字符设备、块设备、tty设备、I2c设备、LCD设备、音频设备、USB设备、网络设备、PCI设备等Linux设备驱动架构中各个复杂数据结构和函数的关系，并讲解了Linux驱动开发的大量实例，使读者能够开发各类Linux设备驱动。

目录

赞誉

推荐序一

推荐序二

前言

第１章 Linux设备驱动概述及开发环境构建 ?1

1.1 设备驱动的作用 ?1

1.2 无操作系统时的设备驱动 ?2

1.3 有操作系统时的设备驱动 ?4

1.4 Linux设备驱动 ?5

1.4.1 设备的分类及特点 ? 5

1.4.2 Linux设备驱动与整个软硬件系统的关系 ?6

1.4.3 Linux设备驱动的重点、难点 ? 7

1.5 Linux设备驱动的开发环境构建 ?8

1.5.1 PC上的Linux环境 ?8

1.5.2 QEMU实验平台 ?11

1.5.3 源代码阅读和编辑 ? 13

1.6 设备驱动Hello World：LED驱动 ?15

1.6.1 无操作系统时的LED驱动 ?15

1.6.2 Linux下的LED驱动 ?15

第２章 驱动设计的硬件基础 ?20

2.1 处理器 ?20

2.1.1 通用处理器 ? 20

2.1.2 数字信号处理器 ? 22

2.2 存储器 ?24

2.3 接口与总线 ?28

2.3.1 串口 ? 28

2.3.2 I2C ?29

2.3.3 SPI ?30

2.3.4 USB ? 31

2.3.5 以太网接口 ? 33

2.3.6 PCI和PCI-E ? 34

2.3.7 SD和SDIO ?36

2.4 CPLD和FPGA ?37

2.5 原理图分析 ?40

2.6 硬件时序分析 ?42

2.6.1 时序分析的概念 ? 42

2.6.2 典型的硬件时序 ? 43

2.7 芯片数据手册阅读方法 ?44

2.8 仪器仪表使用 ?47

2.8.1 万用表 ? 47

2.8.2 示波器 ? 47

2.8.3 逻辑分析仪 ? 49

2.9 总结 ?51

第３章 Linux内核及内核编程 ?52

3.1 Linux内核的发展与演变 ?52

3.2 Linux 2.6后的内核特点 ?56

3.3 Linux内核的组成 ?59

3.3.1 Linux内核源代码的目录结构 ? 59

3.3.2 Linux内核的组成部分 ? 60

3.3.3 Linux内核空间与用户空间 ? 64

3.4 Linux内核的编译及加载 ?64

3.4.1 Linux内核的编译 ? 64

3.4.2 Kconfig和Makefile ? 66

3.4.3 Linux内核的引导 ? 74

3.5 Linux下的C编程特点 ?75

3.5.1 Linux编码风格 ?75

3.5.2 GNU C与ANSI C ?78

3.5.3 do { } while(0) 语句 ?83

3.5.4 goto语句 ?85

3.6 工具链 ?85

3.7 实验室建设 ?88

3.8 串口工具 ?89

3.9 总结 ?91

第４章 Linux内核模块 ?92

4.1 Linux内核模块简介 ?92

4.2 Linux内核模块程序结构 ?95

4.3 模块加载函数 ?95

4.4 模块卸载函数 ?97

4.5 模块参数 ?97

4.6 导出符号 ?99

4.7 模块声明与描述 ?100

4.8 模块的使用计数 ?100

4.9 模块的编译 ?101

4.10 使用模块“绕开”GPL ?102

4.11 总结 ?103

第５章 Linux文件系统与设备文件 ?104

5.1 Linux文件操作 ?104

5.1.1 文件操作系统调用 ?104

5.1.2 C库文件操作 ?108

5.2 Linux文件系统 ?109

5.2.1 Linux文件系统目录结构 ? 109

5.2.2 Linux文件系统与设备驱动 ? 110

5.3 devfs ?114

5.4 udev用户空间设备管理 ?116

5.4.1 udev与devfs的区别 ?116

5.4.2 sysfs文件系统与Linux设备模型 ? 119

5.4.3 udev的组成 ? 128

5.4.4 udev规则文件 ? 129

5.5 总结 ?133

第６章 字符设备驱动 ?134

6.1 Linux字符设备驱动结构 ?134

6.1.1 cdev结构体 ?134

6.1.2 分配和释放设备号 ?136

6.1.3 f?ile_operations结构体 ?136

6.1.4 Linux字符设备驱动的组成 ?138

6.2 globalmem虚拟设备实例描述 ?142

6.3 globalmem设备驱动 ?142

6.3.1 头文件、宏及设备结构体 ?142

6.3.2 加载与卸载设备驱动 ?143

6.3.3 读写函数 ?144

6.3.4 seek函数 ?146

6.3.5 ioctl函数 ?146

6.3.6 使用文件私有数据 ?148

6.4 globalmem驱动在用户空间中的验证 ?156

6.5 总结 ?157

第７章 Linux设备驱动中的并发控制 ?158

7.1 并发与竞态 ?158

7.2 编译乱序和执行乱序 ?160

7.3 中断屏蔽 ?165

7.4 原子操作 ?166

7.4.1 整型原子操作 ?167

7.4.2 位原子操作 ?168

7.5 自旋锁 ?169

7.5.1 自旋锁的使用 ?169

7.5.2 读写自旋锁 ?173

7.5.3 顺序锁 ?174

7.5.4 读-复制-更新 ?176

7.6 信号量 ?181

7.7 互斥体 ?183

7.8 完成量 ?184

7.9 增加并发控制后的globalmem的设备驱动 ?185

7.10 总结 ?188

第８章 Linux设备驱动中的阻塞与非阻塞I/O ?189

8.1 阻塞与非阻塞I/O ?189

8.1.1 等待队列 ?191

8.1.2 支持阻塞操作的globalf?ifo设备驱动 ?194

8.1.3 在用户空间验证globalf?ifo的读写 ?198

8.2 轮询操作 ?198

8.2.1 轮询的概念与作用 ?198

8.2.2 应用程序中的轮询编程 ?199

8.2.3 设备驱动中的轮询编程 ?201

8.3 支持轮询操作的globalf?ifo驱动 ?202

8.3.1 在globalf?ifo驱动中增加轮询操作 ?202

8.3.2 在用户空间中验证globalf?ifo设备的轮询 ?203

8.4 总结 ?205

第９章 Linux设备驱动中的异步通知与异步I/O ?206

9.1 异步通知的概念与作用 ?206

9.2 Linux异步通知编程 ?207

9.2.1 Linux信号 ?207

9.2.2 信号的接收 ?208

9.2.3 信号的释放 ?210

9.3 支持异步通知的globalf?ifo驱动 ?212

9.3.1 在globalf?ifo驱动中增加异步通知 ?212

9.3.2 在用户空间中验证globalf?ifo的异步通知 ?214

9.4 Linux异步I/O ?215

9.4.1 AIO概念与GNU C库AIO ?215

9.4.2 Linux内核AIO与libaio ?219

9.4.3 AIO与设备驱动 ?222

9.5 总结 ?223

第10章 中断与时钟 ?224

10.1 中断与定时器 ?224

10.2 Linux中断处理程序架构 ?227

10.3 Linux中断编程 ?228

10.3.1 申请和释放中断 ?228

10.3.2 使能和屏蔽中断 ?230

10.3.3 底半部机制 ?230

10.3.4 实例：GPIO按键的中断 ?235

10.4 中断共享 ?237

10.5 内核定时器 ?238

10.5.1 内核定时器编程 ?238

10.5.2 内核中延迟的工作delayed_work ?242

10.5.3 实例：秒字符设备 ?243

10.6 内核延时 ?247

10.6.1 短延迟 ?247

10.6.2 长延迟 ?248

10.6.3 睡着延迟 ?248

10.7 总结 ?250

第11章 内存与I/O访问 ?251

11.1 CPU与内存、I/O ? 251

11.1.1 内存空间与I/O空间 ?251

11.1.2 内存管理单元 ?252

11.2 Linux内存管理 ?256

11.3 内存存取 ?261

11.3.1 用户空间内存动态申请 ?261

11.3.2 内核空间内存动态申请 ?262

11.4 设备I/O端口和I/O内存的访问 ?267

11.4.1 Linux I/O端口和I/O内存访问接口 ?267

11.4.2 申请与释放设备的I/O端口和I/O内存 ?268

11.4.3 设备I/O端口和I/O内存访问流程 ?269

11.4.4 将设备地址映射到用户空间 ?270

11.5 I/O内存静态映射 ?276

11.6 DMA ? 277

11.6.1 DMA与Cache一致性 ?278

11.6.2 Linux下的DMA编程 ?279

11.7 总结 ?285

第12章 Linux设备驱动的软件架构思想 ?286

12.1 Linux驱动的软件架构 ?286

12.2 platform设备驱动 ?290

12.2.1 platform总线、设备与驱动 ?290

12.2.2 将globalf?ifo作为platform设备 ?293

12.2.3 platform设备资源和数据 ?295

12.3 设备驱动的分层思想 ?299

12.3.1 设备驱动核心层和例化 ?299

12.3.2 输入设备驱动 ?301

12.3.3 RTC设备驱动 ?306

12.3.4 Framebuffer设备驱动 ?309

12.3.5 终端设备驱动 ?311

12.3.6 misc设备驱动 ?316

12.3.7 驱动核心层 ?321

12.4 主机驱动与外设驱动分离的设计思想 ?321

12.4.1 主机驱动与外设驱动分离 ?321

12.4.2 Linux SPI主机和设备驱动 ?322

12.5 总结 ?330

第13章 Linux块设备驱动 ?331

13.1 块设备的I/O操作特点 ?331

13.2 Linux块设备驱动结构 ?332

13.2.1 block_device_operations结构体 ?332

13.2.2 gendisk结构体 ?334

13.2.3 bio、request和request_queue ?335

13.2.4 I/O调度器 ?339

13.3 Linux块设备驱动的初始化 ?340

13.4 块设备的打开与释放 ?342

13.5 块设备驱动的ioctl函数 ?342

13.6 块设备驱动的I/O请求处理 ?343

13.6.1 使用请求队列 ?343

13.6.2 不使用请求队列 ?347

13.7 实例：vmem_disk驱动 ?349

13.7.1 vmem_disk的硬件原理 ?349

13.7.2 vmem_disk驱动模块的加载与卸载 ?349

13.7.3 vmem_disk设备驱动的block_device_operations ?351

13.7.4 vmem_disk的I/O请求处理 ?352

13.8 Linux MMC子系统 ?354

13.9 总结 ?357

第14章 Linux网络设备驱动 ?358

14.1 Linux网络设备驱动的结构 ?358

14.1.1 网络协议接口层 ?359

14.1.2 网络设备接口层 ?363

14.1.3 设备驱动功能层 ? 367

14.2 网络设备驱动的注册与注销 ?367

14.3 网络设备的初始化 ?369

14.4 网络设备的打开与释放 ?370

14.5 数据发送流程 ?371

14.6 数据接收流程 ?372

14.7 网络连接状态 ?375

14.8 参数设置和统计数据 ?377

14.9 DM9000网卡设备驱动实例 ?380

14.9.1 DM9000网卡硬件描述 ? 380

14.9.2 DM9000网卡驱动设计分析 ?380

14.10 总结 ?386

第15章 Linux I2C核心、总线与设备驱动 ?387

15.1 Linux I2C体系结构 ?387

15.2 Linux I2C核心 ?394

15.3 Linux I2C适配器驱动 ?396

15.3.1 I2C适配器驱动的注册与注销 ?396

15.3.2 I2C总线的通信方法 ?397

15.4 Linux I2C设备驱动 ?399

15.4.1 Linux I2C设备驱动的模块加载与卸载 ?400

15.4.2 Linux I2C设备驱动的数据传输 ?400

15.4.3 Linux的i2c-dev.c文件分析 ?400

15.5 Tegra I2C总线驱动实例 ?405

15.6 AT24xx EEPROM的I2C设备驱动实例 ?410

15.7 总结 ?413

第16章 USB主机、设备与Gadget驱动 ?414

16.1 Linux USB驱动层次 ?414

16.1.1 主机侧与设备侧USB驱动 ?414

16.1.2 设备、配置、接口、端点 ?415

16.2 USB主机控制器驱动 ?420

16.2.1 USB主机控制器驱动的整体结构 ?420

16.2.2 实例：Chipidea USB主机驱动 ?425

16.3 USB设备驱动 ?425

16.3.1 USB设备驱动的整体结构 ?425

16.3.2 USB请求块 ?430

16.3.3 探测和断开函数 ?435

16.3.4 USB骨架程序 ?436

16.3.5 实例：USB键盘驱动 ?443

16.4 USB UDC与Gadget驱动 ?446

16.4.1 UDC和Gadget驱动的关键数据结构与API ?446

16.4.2 实例：Chipidea USB UDC驱动 ?451

16.4.3 实例：Loopback Function驱动 ?453

16.5 USB OTG驱动 ?456

16.6 总结 ?458

第17章 I2C、SPI、USB驱动架构类比 ?459

17.1 I2C、SPI、USB驱动架构 ?459

17.2 I2C主机和外设眼里的Linux世界 ?460

第18章 ARM Linux设备树 ?461

18.1 ARM设备树起源 ?461

18.2 设备树的组成和结构 ?462

18.2.1 DTS、DTC和DTB等 ?462

18.2.2 根节点兼容性 ?468

18.2.3 设备节点兼容性 ?470

18.2.4 设备节点及label的命名 ?475

18.2.5 地址编码 ?477

18.2.6 中断连接 ?479

18.2.7 GPIO、时钟、pinmux连接 ?480

18.3 由设备树引发的BSP和驱动变更 ?484

18.4 常用的OF API ?490

18.5 总结 ?493

第19章 Linux电源管理的系统架构和驱动 ?494

19.1 Linux电源管理的全局架构 ?494

19.2 CPUFreq驱动 ?495

19.2.1 SoC的CPUFreq驱动实现 ?495

19.2.2 CPUFreq的策略 ?501

19.2.3 CPUFreq的性能测试和调优 ?501

19.2.4 CPUFreq通知 ?502

19.3 CPUIdle驱动 ?504

19.4 PowerTop ?508

19.5 Regulator驱动 ?508

19.6 OPP ?511

19.7 PM QoS ?515

19.8 CPU热插拔 ?518

19.9 挂起到RAM ?522

19.10 运行时的PM ?528

19.11 总结 ?534

第20章 Linux芯片级移植及底层驱动 ?535

20.1 ARM Linux底层驱动的组成和现状 ?535

20.2 内核节拍驱动 ?536

20.3 中断控制器驱动 ?541

20.4 SMP多核启动以及CPU热插拔驱动 ?549

20.5 DEBUG_LL和EARLY_PRINTK的设置 ?556

20.6 GPIO驱动 ?557

20.7 pinctrl驱动 ?560

20.8 时钟驱动 ?572

20.9 dmaengine驱动 ?578

20.10 总结 ?580

第21章 Linux设备驱动的调试 ?581

21.1 GDB调试器的用法 ?581

21.1.1 GDB的基本用法 ?581

21.1.2 DDD图形界面调试工具 ?591

21.2 Linux内核调试 ?594

21.3 内核打印信息——printk() ?596

21.4 DEBUG_LL和EARLY_PRINTK ?599

21.5 使用“/proc” ?600

21.6 Oops ?606

21.7 BUG_ON()和WARN_ON() ?608

21.8 strace ?609

21.9 KGDB ?610

21.10 使用仿真器调试内核 ?612

21.11 应用程序调试 ?613

21.12 Linux性能监控与调优工具 ?616

21.13 总结 ?618

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