Linux設備驅動程序是高級應用程序與硬件設備之間的橋梁。驅動程序開發(fā)是軟硬件相互結合的技術。本書是一本專門介紹Linux設備驅動程序開發(fā)的書籍,涵蓋了Linux驅動程序基礎、驅動模型、內存管理、內核同步機制、I2C驅動程序、LCD驅動程序、網絡驅動程序、USB驅動程序、輸入子系統(tǒng)驅動程序、塊設備驅動程序、音頻設備驅動等內容。本書以實例為主線,是為Linux設備驅動程序開發(fā)人員量身打造的學習精品書籍和實戰(zhàn)指南。本書基于Linux4.5內核,提供了豐富的實例代碼和詳細的注釋,并附贈完整源代碼供讀者下載。本書主要面向各種層次的嵌入式Linux軟硬件開發(fā)工程師,也可以作為各類嵌入式系統(tǒng)培訓機構的培訓實驗教材和高校計算機課程教輔書籍。
寫作背景自 1991 年問世以來,Linux 操作系統(tǒng)一直在創(chuàng)造著開源世界的神話,它已經在服務器、嵌入式系統(tǒng)、智能手機等領域大放異彩,當之無愧地成為了當前最重量級的操作系統(tǒng)。從最初的 Linux 0.01 版到現(xiàn)在的 Linux 4.x 版,讓我們看到了 Linux 強大的生命力。我們有理由相信,Linux 操作系統(tǒng)將健康地發(fā)展下去。
自十多年前在 Linux 平臺上開發(fā)第一個應用開始,我便喜愛上了 Linux 平臺上的軟件開發(fā)。從那之后,我有幸能夠長期從事嵌入式 Linux 的驅動與應用開發(fā),今后也將在 Linux 驅動開發(fā)領域持續(xù)耕耘。Linux 帶給我無窮的樂趣,我也希望向讀者介紹 Linux 平臺的驅動開發(fā)技術,為 Linux 的發(fā)展貢獻一點綿薄之力。本書上一版出版之后,很多熱心讀者發(fā)來建議,也促使我創(chuàng)作本書第 2 版。
設備驅動程序依然是 Linux 這個偉大的操作系統(tǒng)的最重要的部分,設備驅動程序開發(fā)也是實際項目中非常重要的任務。設備驅動程序關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠,這就要求工程師具備嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。設備驅動程序開發(fā)是軟件與硬件相結合的領域,希望讀者能先了解一些硬件方面的知識,為學習本書打下基礎。
“操千曲而后曉聲,觀千劍而后識器!蔽沂冀K認為要成為一個領域的專家,就需要長時間不斷地練習以及總結,在實踐中不斷深入探索是最便捷的學習方法,所以本書實例驅動的學習模式。希望讀者能夠認真鉆研每一個例程,并舉一反三,早日成為一名合格的驅動開發(fā)工程師。
本書特點? 實戰(zhàn)性:本書提供多達三十多個驅動程序例程,非常適合各種層次的驅動程序開發(fā)人員。書中例子全部基于 Linux 4.5.2 內核。本書附贈代碼包含了書中大部分實例的相關代碼,讀者可以免費下載。
? 全面性:本書涵蓋了 Linux 驅動程序基礎、驅動模型、內存管理、內核同步機制、I2C驅動程序、LCD 驅動程序、網絡驅動程序、USB 驅動程序、輸入子系統(tǒng)驅動程序、塊設備驅動程序、音頻設備驅動等內容,是驅動程序開發(fā)人員的完整參考書。
? 易讀性:本書以實例為主線,代碼注釋豐富,帶領讀者由淺入深掌握 Linux 驅動程序開發(fā)的精髓。
內容結構本書內容豐富全面,涵蓋了 Linux 4.5 下的三類驅動設備,包括字符設備、塊設備、網絡設備的開發(fā)技術。本書第 1~5 章為 Linux 驅動程序開發(fā)入門基礎知識;第 6 章介紹基本的硬件設備驅動開發(fā);第 7~15 章介紹各種硬件接口的驅動程序體系,包括 I2C、LCD、USB、輸入設備、網絡、TTY、音頻等接口。
讀者對象本書是一本專門介紹嵌入式 Linux 驅動程序開發(fā)的書,讀者應具備 C 語言編程和操作系統(tǒng)方面的基礎知識。本書主要面向嵌入式 Linux 系統(tǒng)的內核、設備驅動程序、應用程序的開發(fā)工程師以及 ARM 嵌入式系統(tǒng)的硬件設計工程師,也可以作為各類嵌入式系統(tǒng)培訓機構的培訓實驗教材和高校操作系統(tǒng)課程的輔導書籍。
特別致謝在朋友、家人和機械工業(yè)出版社的幫助和支持下,本書終于得以問世,在此對他們表示衷心的感謝。特別是責任編輯車忱老師,在本書編寫過程中提出了大量合理的建議,使本書得以順利出版。
本書大部分例程基于深圳友堅恒天的 idea6410 開發(fā)板,在此對他們表示特別的感謝。本人希望能夠和讀者一起努力,擴大交流,共同進步。由于 Linux 驅動程序開發(fā)相當博大精深,加之本人水平有限,本書錯誤在所難免,請各位讀者原諒并指正。
馮國進2016 年 10 月 1 日
第 1 章 Linux 設備驅動程序入門 1
1.1 設備驅動程序基礎 1
1.1.1 驅動程序的概念 1
1.1.2 驅動程序的加載方式 2
1.1.3 編寫可加載模塊 3
1.1.4 帶參數(shù)的可加載模塊 4
1.1.5 模塊依賴 5
1.1.6 printk 的等級 7
1.1.7 設備驅動程序類別 8
1.2 字符設備驅動程序原理 9
1.2.1 file_o p erations 結構 9
1.2.2 使用 register_chrdev 注冊字符設備 11
1.2.3 使用 cdev_add 注冊字符設備 14
1.2.4 字符設備的讀寫 16
1.2.5 IOCTL 接口 17
1.2.6 seek 接口 20
1.2.7 poll 接口 22
1.2.8 異步通知 26
1.3 seq_file 機制 28
1.3.1 seq_file 原理 28
1.3.2 seq_file 實例 29
1.4 /proc 文件系統(tǒng) 35
1.4.1 /proc 文件系統(tǒng)概述 35
1.4.2 /proc 文件系統(tǒng)接口 36
1.5 Linux 內核導讀 40
1.5.1 Linux 內核組成 40
1.5.2 Linux 的代碼結構 42
1.5.3 內核 Makefile 43
第 2 章 Linux 設備驅動模型 44
2.1 內核對象 44
2.1.1 Kobject 44
2.1.2 kobj_type 45
2.1.3 Kset 45
2.2 設備模型層次 46
2.3 sysfs 文件系統(tǒng) 49
2.4 platform 概念 51
2.5 Attributes 56
2.6 設備事件通知 60
2.6.1 kobject uevent 60
2.6.2 uevent helper 61
2.6.3 udev 63
2.7 設備樹 64
第 3 章 Linux 內核同步機制 67
3.1 原子操作 67
3.2 鎖機制 68
3.2.1 自旋鎖 68
3.2.2 讀寫鎖 70
3.2.3 RCU 71
3.2.4 信號量 75
3.2.5 讀寫信號量 77
3.2.6 互斥量 77
3.3 等待隊列 78
3.3.1 等待隊列原理 78
3.3.2 阻塞模式讀實例 78
3.3.3 完成事件 81
3.4 通知鏈 83
第 4 章 內存管理與鏈表 86
4.1 物理地址和虛擬地址 86
4.2 內存分配與釋放 87
4.3 cache 88
4.4 IO 端口到虛擬地址的映射 88
4.4.1 靜態(tài)映射 88
4.4.2 ioremap 89
4.5 內核空間到用戶空間的映射 90
4.5.1 mmap 接口 90
4.5.2 mmap 系統(tǒng)調用 91
4.6 DMA 映射 93
4.7 內核鏈表 93
4.7.1 Linux 內核中的鏈表 93
4.7.2 內核鏈表實例 95
第 5 章 任務與調度 98
5.1 schedule 98
5.2 內核線程 99
5.3 內核調用應用程序 101
5.4 軟中斷機制 103
5.4.1 軟中斷原理 103
5.4.2 tasklet 106
5.5 工作隊列 108
5.5.1 工作隊列原理 108
5.5.2 延遲工作隊列 110
5.6 內核時間 110
5.6.1 Linux 下的時間概念 110
5.6.2 Linux 下的延遲 111
5.6.3 內核定時器 112
第 6 章 簡單硬件設備驅動程序 115
6.1 硬件基礎知識 115
6.1.1 硬件設備原理 115
6.1.2 時序圖原理 116
6.1.3 嵌入式 Linux 系統(tǒng)構成 117
6.1.4 硬件初始化 117
6.1.5 clk 體系 120
6.2 dev/mem 與 dev/kmem 121
6.3 寄存器訪問 124
6.3.1 S3C6410X 地址映射 124
6.3.2 S3C6410X 看門狗驅動程序實例 128
6.4 電平控制 131
6.4.1 S3C6410X LED 驅動程序實例 132
6.4.2 掃描型按鍵驅動程序實例 135
6.5 硬件中斷處理 137
6.5.1 硬件中斷處理原理 137
6.5.2 中斷型按鍵驅動程序實例 141
6.6 看門狗驅動架構 146
6.7 RTC 驅動 148
6.8 LED 類設備 153
第 7 章 I2C 設備驅動程序 157
7.1 I2C 接口原理 157
7.2 Linux 的 I2C 驅動程序架構 159
7.2.1 I2C 適配器 160
7.2.2 I2C 算法 161
7.2.3 I2C 從設備 161
7.2.4 I2C 從設備驅動 162
7.2.5 I2C 從設備驅動開發(fā) 163
7.3 I2C 控制器驅動 163
7.3.1 S3C2410X 的 I2C 控制器 163
7.3.2 S3C2410X 的 I2C 控制器驅動 164
7.4 通用 I2C 從設備 172
7.4.1 通用 I2C 從設備驅動 172
7.4.2 通過 read 與 write 接口讀寫 174
7.4.3 通過 I2C_RDWR 命令讀寫 177
7.4.4 I2Ctools 180
7.5 個性化 I2C 從設備驅動 181
第 8 章 TTY 與串口驅動程序 185
8.1 TTY 概念 185
8.2 Linux TTY 驅動程序體系 185
8.2.1 TTY 驅動程序架構 185
8.2.2 TTY 文件層 186
8.2.3 線路規(guī)程層 188
8.2.4 TTY 驅動層 190
8.2.5 TTY 數(shù)據(jù)鏈路分析 193
8.3 串口驅動層 194
8.3.1 uart_driver 194
8.3.2 uart_port 195
8.4 S3C6410X 串口設備驅動程序 197
8.5 TTY 應用層 201
第 9 章 Framebuffer 驅動程序 203
9.1 Linux Framebuffer 驅動程序原理 203
9.1.1 Framebuffer 核心數(shù)據(jù)結構 203
9.1.2 Framebuffer 操作接口 206
9.1.3 Framebuffer 驅動的文件接口 207
9.1.4 Framebuffer 驅動框架代碼分析 209
9.2 S3C6410X 顯示控制器 210
9.3 S3C6410X LCD 驅動程序實例 215
9.3.1 注冊與初始化 215
9.3.2 fb_ops 實現(xiàn) 220
9.3.3 DMA 傳輸機制 222
9.3.4 內核配置 227
9.4 Framebuffer 應用層 227
9.5 Qt 界面系統(tǒng)移植 229
第 10 章 輸入子系統(tǒng) 231
10.1 Linux 輸入子系統(tǒng)概述 231
10.2 Linux 輸入子系統(tǒng)原理 231
10.2.1 輸入設備 232
10.2.2 輸入事件 233
10.2.3 input Handler 層 234
10.2.4 常用的 Input Handler 236
10.3 輸入設備應用層 241
10.4 鍵盤輸入設備驅動程序實例 243
10.5 Event 接口實例 249