Linux设备驱动开发

本书讲解了Linux驱动开发的基础知识以及所用到的开发环境，全书分为22章，其内容涵盖了各种Linux子系统，包含内存管理、PWM、RTC、IIO和IRQ管理等，还讲解了直接内存访问和网络设备驱动程序的实用方法。在学完本书之后，读者将掌握设备驱动开发环境的概念，并可以从零开始为任何硬件设备编写驱动程序。

阅读本书需要具备基本的C语言程序设计能力，且熟悉Linux基本命令。本书主要是为嵌入式工程师、Linux系统管理员、开发人员和内核黑客而设计的。无论是软件开发人员，还是系统架构师或制造商，只要愿意深入研究Linux驱动程序开发，阅读本书后都将有所收获。

John Madieu是嵌入式Linux和内核研发工程师，居住在法国巴黎。他主要为自动化、运输、医疗、能源和军事等领域的公司开发驱动程序和开发板支持包（Board Support Packages，BSP）。他目前就职于一家法国公司EXPEMB，该公司是基于模块化计算机的电子开发板设计和嵌入式Linux解决方案的先驱。同时，他还是一位开源和嵌入式系统爱好者，坚信通过知识分享能够学到更多的知识。

第 1章　内核开发简介 1

1.1　环境设置　1

1.1.1　获取源代码　2

1.1.2　内核配置　4

1.1.3　构建自己的内核　4

1.2　内核约定　6

1.2.1　编码风格　6

1.2.2　内核结构分配和初始化　7

1.2.3　类、对象、面向对象的编程　7

1.3　总结　8

第　2章 设备驱动程序基础　9

2.1　内核空间和用户空间　9

2.1.1　模块的概念　10

2.1.2　模块依赖　10

2.1.3　模块的加载和卸载　11

2.2　驱动程序框架　13

2.2.1　模块的入点和出点　14

2.2.2　模块信息　16

2.3　错误和消息打印　18

2.3.1　错误处理　19

2.3.2　处理空指针错误　21

2.3.3　消息打印—— printk()　22

2.4　模块参数　24

2.5　构建第 一个模块　25

2.5.1　模块的makefile　26

2.5.2　内核树内　27

2.5.3　内核树外　29

2.5.4　构建模块　29

2.6　总结　30

第3章　内核工具和辅助函数　31

3.1　理解宏container_of　31

3.2　链表　33

3.2.1　创建和初始化链表　35

3.2.2　创建链表节点　36

3.2.3　添加链表节点　36

3.2.4　删除链表节点　37

3.2.5　链表遍历　37

3.3　内核的睡眠机制　38

3.4　延迟和定时器管理　41

3.4.1　标准定时器　41

3.4.2　高精度定时器（HRT）　44

3.4.3　动态Tick/Tickless内核　46

3.4.4　内核中的延迟和睡眠　46

3.5　内核的锁机制　47

3.5.1　互斥锁　47

3.5.2　自旋锁　49

3.6　工作延迟机制　51

3.6.1　Softirq和Ksoftirqd　51

3.6.2　Tasklet　53

3.6.3　Tasklet调度　54

3.6.4　工作队列　56

3.6.5　内核线程　62

3.7　内核中断机制　62

3.7.1　注册中断处理程序　62

3.7.2　下半部的概念　65

3.8　线程化中断　68

3.9　从内核调用用户空间应用程序　71

3.10　总结　72

第4章　字符设备驱动程序　73

4.1　主设备和次设备的概念　73

4.2　设备文件操作　76

4.3　分配和注册字符设备　77

4.4　写文件操作　79

4.4.1　内核空间和用户空间数据交换　79

4.4.2　open方法　80

4.4.3　release方法　81

4.4.4　write方法　82

4.4.5　read方法　84

4.4.6　llseek方法　86

4.4.7　poll方法　88

4.4.8　ioctl方法　91

4.4.9　填充file_operations结构　95

4.5　总结　95

第5章　平台设备驱动程序　96

5.1　平台驱动程序　97

5.2　平台设备　100

5.3　设备、驱动程序和总线匹配　105

5.4　总结　113

第6章　设备树的概念　114

6.1　设备树机制　114

6.1.1　命名约定　115

6.1.2　别名、标签和phandle　115

6.1.3　DT编译器　117

6.2　表示和寻址设备　117

6.2.1　SPI和I2C寻址　118

6.2.2　平台设备寻址　119

6.3　处理资源　120

6.3.1　命名资源的概念　121

6.3.2　访问寄存器　122

6.3.3　处理中断　123

6.3.4　提取特定应用数据　124

6.4　平台驱动程序和DT　127

6.4.1　OF匹配风格　127

6.4.2　匹配风格混合　132

6.4.3　平台数据与DT　136

6.5　总结　137

第7章　I2C客户端驱动程序　138

7.1　驱动程序架构　139

7.1.1　i2c_driver结构　139

7.1.2　驱动程序的初始化和注册　142

7.1.3　驱动程序和设备的配置　142

7.2　访问客户端　143

7.2.1　普通I2C通信　143

7.2.2　系统管理总线（SMBus）兼容函数　145

7.2.3　在开发板配置文件中实例化I2C设备（弃用的旧方式）　146

7.3　I2C和设备树　147

7.3.1　定义和注册I2C驱动程序　147

7.3.2　在设备树中实例化I2C设备——新方法　149

7.3.3　小结　149

7.4　总结　150

第8章　SPI设备驱动程序　151

8.1　驱动程序架构　151

8.1.1　设备结构　152

8.1.2　spi_driver结构　154

8.1.3　驱动程序的初始化和注册　156

8.1.4　驱动程序和设备配置　157

8.2　访问和与客户端通信　161

8.3　小结　166

8.4　SPI用户模式驱动程序　166

8.5　总结　170

第9章　Regmap API ——寄存器映射抽象　171

9.1　使用Regmap API编程　172

9.1.1　regmap_config结构　172

9.1.2　Regmap初始化　175

9.1.3　设备访问函数　177

9.1.4　Regmap和缓存　180

9.1.5　小结　181

9.1.6　Regmap示例　182

9.2　总结　184

第　10章 IIO框架　185

10.1　IIO数据结构　186

10.1.1　Iio_dev数据结构　186

10.1.2　iio_info结构　190

10.1.3　IIO通道　190

10.1.4　小结　196

10.2　触发缓冲区支持　199

10.2.1　IIO触发器和sysfs（用户空间）　202

10.2.2　IIO缓冲区　206

10.2.3　小结　208

10.3　IIO数据访问　214

10.3.1　单次捕获　214

10.3.2　缓冲区数据访问　214

10.4　IIO工具　216

10.5　总结　217

第　11章 内核内存管理　218

11.1　系统内存布局——内核空间和用户空间　219

11.1.1　内核地址——低端和高端内存概念　221

11.1.2　用户空间寻址　222

11.1.3　虚拟内存区域　225

11.2　地址转换和MMU　227

11.3　内存分配机制　232

11.3.1　页面分配器　233

11.3.2　Slab分配器　235

11.3.3　kmalloc分配系列　238

11.3.4　vmalloc分配器　240

11.3.5　后台的进程内存分配　242

11.4　使用I/O内存访问硬件　244

11.4.1　PIO设备访问　244

11.4.2　MMIO设备访问　245

11.5　内存（重）映射　248

11.5.1　kmap　248

11.5.2　映射内核内存到用户空间　249

11.6　Linux缓存系统　253

11.6.1　什么是缓存　253

11.6.2　为什么数据延迟写入磁盘　255

11.7　设备管理的资源—— Devres　256

11.8　总结　257

第　12章 DMA ——直接内存访问　258

12.1　设置DMA映射　258

12.1.1　缓存一致性和DMA　258

12.1.2　DMA映射　259

12.2　完成的概念　263

12.3　DMA引擎API　264

12.3.1　分配DMA从通道　265

12.3.2　设置从设备和控制器指定参数　266

12.3.3　获取事务描述符　269

12.3.4　提交事务　270

12.3.5　发布待处理DMA请求并等待回调通知　271

12.4　总结—— NXP SDMA(i.MX6)　272

12.5　DMA DT绑定　277

12.6　总结　278

第　13章 Linux设备模型　279

13.1　LDM数据结构　279

13.1.1　总线　280

13.1.2　设备驱动程序　285

13.1.3　设备　287

13.2　深入剖析LDM　289

13.2.1　kobject结构　289

13.2.2　kobj_type　291

13.2.3　内核对象集合　293

13.2.4　属性　294

13.3　设备模型和sysfs　296

13.3.1　sysfs文件和属性　297

13.3.2　允许轮询sysfs属性文件　303

13.4　总结　304

第　14章 引脚控制和GPIO子系统　305

14.1　引脚控制子系统　305

14.2　GPIO子系统　310

14.2.1　基于整数的GPIO接口：传统方法　310

14.2.2　基于描述符的GPIO接口：新的推荐方式　315

14.2.3　GPIO接口和设备树　322

14.2.4　GPIO和sysfs　327

14.3　总结　329

第　15章 GPIO控制器驱动程序—— gpio_chip　330

15.1　驱动程序体系结构和数据结构　330

15.2　引脚控制器指南　334

15.3　GPIO控制器的sysfs接口　335

15.4　GPIO控制器和DT　335

15.5　总结　336

第　16章 高级IRQ管理　337

16.1　中断复用和中断控制器　339

16.2　高级外设IRQ管理　347

16.3　中断请求和传播　349

16.3.1　链接IRQ　351

16.3.2　案例研究—— GPIO和IRQ芯片　351

16.4　总结　356

第　17章 输入设备驱动程序　357

17.1　输入设备结构　357

17.2　分配并注册输入设备　360

17.3　产生和报告输入事件　364

17.4　用户空间接口　366

17.5　回顾　368

17.6　总结　376

第　18章 RTC驱动程序　377

18.1　RTC框架数据结构　377

18.2　RTC和用户空间　387

18.2.1　sysfs接口　387

18.2.2　hwclock工具　388

18.3　总结　389

第　19章 PWM驱动程序　390

19.1　PWM控制器驱动程序　391

19.1.1　驱动程序示例　393

19.1.2　PWM控制器绑定　396

19.2　PWM消费者接口　397

19.3　通过sysfs接口使用PWM　401

19.4　总结　402

第　20章 调节器框架　403

20.1　PMIC/生产者驱动程序接口　404

20.1.1　驱动程序数据结构　404

20.1.2　驱动程序方法　412

20.1.3　驱动程序示例　418

20.2　调节器消费者接口　421

20.2.1　调节器设备请求　422

20.2.2　控制调节器设备　423

20.3　调节器绑定　425

20.4　总结　426

第　21章 帧缓冲驱动程序　427

21.1　驱动程序数据结构　428

21.2　设备方法　431

21.3　驱动程序方法　434

21.3.1　fb_ops剖析　436

21.3.2　总结　440

21.4　用户空间的帧缓冲　440

21.5　总结　442

第　22章 网络接口卡驱动程序　443

22.1　驱动程序数据结构　443

22.1.1　套接字缓冲区结构　444

22.1.2　网络接口结构　446

22.2　设备方法　448

22.2.1　打开和关闭　449

22.2.2　数据包处理　452

22.2.3　驱动程序示例　457

22.2.4　状态和控制　460

22.3　驱动程序方法　463

22.3.1　probe函数　464

22.3.2　模块卸载　466

22.4　总结　466

本书讲解了Linux驱动开发的基础知识以及所用到的开发环境，全书分为22章，其内容涵盖了各种Linux子系统，包含内存管理、PWM、RTC、IIO和IRQ管理等，还讲解了直接内存访问和网络设备驱动程序的实用方法。在学完本书之后，读者将掌握设备驱动开发环境的概念，并可以从零开始为任何硬件设备编写驱动程序。

阅读本书需要具备基本的C语言程序设计能力，且熟悉Linux基本命令。本书主要是为嵌入式工程师、Linux系统管理员、开发人员和内核黑客而设计的。无论是软件开发人员，还是系统架构师或制造商，只要愿意深入研究Linux驱动程序开发，阅读本书后都将有所收获。

John Madieu是嵌入式Linux和内核研发工程师，居住在法国巴黎。他主要为自动化、运输、医疗、能源和军事等领域的公司开发驱动程序和开发板支持包（Board Support Packages，BSP）。他目前就职于一家法国公司EXPEMB，该公司是基于模块化计算机的电子开发板设计和嵌入式Linux解决方案的先驱。同时，他还是一位开源和嵌入式系统爱好者，坚信通过知识分享能够学到更多的知识。