嵌入式Linux系统设计及应用——基于国产龙芯SoC
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作者孙冬梅；石南
出版社清华大学出版社
出版时间2021-02
版次1
装帧其他
货号L5
上书时间2024-05-26
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图书标准信息
- 作者 孙冬梅；石南
- 出版社 清华大学出版社
- 出版时间 2021-02
- 版次 1
- ISBN 9787302522164
- 定价 89.00元
- 装帧 其他
- 开本 16开
- 纸张 胶版纸
- 页数 440页
- 字数 726千字
- 【内容简介】
- 龙芯系列微处理器是中国拥有自主知识产权的中央处理器，中国科学院计算技术研究所从2001 年开始研制龙芯系列处理器，于2010 年正式成立龙芯中科技术有限公司（以下简称龙芯中科），主要产品包括龙芯1 号CPU、龙芯2 号CPU 及龙芯3 号CPU。本书是基于龙芯俱乐部与龙芯中科合作开发的南京龙众创芯电子科技有限公司承制的智龙开发板，围绕龙芯1 号芯片LS1C 进行嵌入式系统开发讲解,也包含龙芯中科的2K 龙芯派、南京龙众创芯电子科技有限公司 的龙芯3A3000 开发者计算机的内容。 本书内容共分3 篇。基础篇包含实验平台和开发环境的搭建。中级篇为Linux 基础应用编程，包含线程、信号、网络等基本操作。高级篇包含开发板硬件编程、驱动程序编写等高级操作。附录主要为嵌入式系统开发常用资料和智龙开发板的电路原理图。本书结合实践案例及应用场景，按照嵌入式系统的开发流程组织内容，使读者能熟练掌握从开发环境搭建到编写完整工程的流程。同时提供内核源码及实例代码，并给出测试结果，方便读者参考。 本书具有广泛的适用性，不仅可用于MIPS 架构的龙芯1 号芯片的嵌入式系统开发，还可用于基于Linux 操作系统的嵌入式系统学习。其中在内核原理、应用程序编写，如虚拟机编译、程序下载、调试、应用开发、内核裁减等方面与同类ARM 架构芯片相比，开发过程是通用的。本书可作为应用型本科、高职高专院校嵌入式系统方面的课程教材，也可作为相关开发人员的自学教材和参考手册。
- 【作者简介】
-
孙冬梅（1975.1-）：博士后，副教授，2004年获南京理工大学测试计量技术及仪器专业博士学位；2011.1~2015.12进入南京工业大学“动力工程及工程热物理”博士后流动站，从事研究工作。现任江苏省仪器仪表学会理事，江苏省射频识别技术标准化技术委员会委员。
2012年主持了江苏省博士后基金“大型风电回转支承多源振动信号故障诊断的数据融合方法研究”；2009年主持江苏省高校自然科学基金项目“基于热导式微流量智能传感器的分析仪器开发研究”。参与了多项国家自然科学基金开发研究，完成了多项科研项目，有丰富的理论及实践经验；近几年来，在国内外核心期刊上发表学术论文50多篇。 - 【目录】
-
第1 章 实验平台及背景知识 .......................... 2
1.1 本书使用的开发板及操作系统 ................ 2
1.1.1 龙芯系列芯片 .................................................. 3
1.1.2 龙芯1 号微处理器 .......................................... 4
1.1.3 智龙开发板资源 .............................................. 5
1.1.4 智龙开发板使用的操作系统 .......................... 5
1.1.5 龙芯派一代开发板资源 .................................. 8
1.1.6 龙芯派一代与智龙开发板的差异 ................ 10
1.1.7 龙芯派一代开发板操作与启动盘制作 ........ 11
1.1.8 龙芯派二代开发板操作 ................................ 20
1.2 全龙芯的交叉编译平台 .......................... 24
1.2.1 在龙芯3A3000 主机Loongnix 系统中
搭建龙芯1C 开发环境 ................................. 24
1.2.2 中标麒麟操作系统 ........................................ 27
1.2.3 深度操作系统 ................................................ 28
1.2.4 普华操作系统 ................................................ 29
1.3 安装Ubuntu/Fedora 及其他程序 ............ 31
1.4 虚拟机常用目录 ...................................... 31
1.5 Windows 下需要安装的其他软件 .......... 32
1.6 一点常识 .................................................. 34
1.7 本书使用的网络资源 .............................. 35
第2 章 虚拟机安装Linux 操作系统 ............. 37
2.1 下载VMware Player 并安装 ................... 37
2.2 下载Ubuntu 桌面系统 ............................ 37
2.3 安装Ubuntu ............................................. 37
2.4 进入终端的方法 ...................................... 39
2.5 建立root 用户并自动登录 ...................... 39
2.6 安装VMware Tools ................................. 40
2.7 安装必要的软件 ...................................... 42
2.8 查看相关版本和信息 .............................. 43
2.9 虚拟机Linux 系统中TFTP 服务搭建.... 44
第3 章 安装工具链、编译内核、
制作文件系统 ................................... 47
3.1 安装交叉编译工具gcc-4.3-ls232 ........... 47
3.2 编译和烧写 PMON ................................. 48
3.3 编译和烧写内核 ...................................... 49
3.4 制作根文件系统 ...................................... 51
3.4.1 配置和编译BusyBox .................................... 51
3.4.2 创建文件系统目录 ........................................ 53
3.4.3 创建系统配置文件 ........................................ 53
3.4.4 复制库文件 .................................................... 56
3.5 制作根文件系统镜像 .............................. 58
3.5.1 安装镜像文件制作工具 ................................ 58
3.5.2 制作根文件系统镜像文件 ............................ 60
3.5.3 烧写根文件系统 ............................................ 61
第4 章 使用buildroot 构建根文件系统 ......... 62
4.1 获取buildroot........................................... 62
4.2 系统构建 .................................................. 62
4.3 烧写根文件系统镜像 .............................. 63
4.4 根文件系统软件包的定制 ...................... 63
4.5 buildroot 构建交叉编译工具链 ............... 67
第5 章 简单应用编程Hello World ............... 69
5.1 智龙开发板上运行程序 .......................... 69
5.2 友善之臂开发板mini2440 上
运行程序 .................................................. 70
5.3 ARM 架构应用程序的移植 .................... 71
第6 章 简单驱动程序编写 ............................ 74
6.1 驱动的原理及编写流程 .......................... 74
6.2 驱动模块的加载与卸载 .......................... 75
6.3 最简单的Linux 驱动 ............................... 75
6.4 驱动的编译和执行 .................................. 76
6.5 内核配置驱动 .......................................... 80
6.6 LED 子系统剖析 ..................................... 82
6.7 led_trigger 接口分析 ................................ 89
中级篇应用
第7 章 Linux 应用编程 ................................ 93
7.1 Linux 应用编程的基础知识 .................... 93
7.2 文件I/O 编程 ........................................... 93
7.3 进程和线程 .............................................. 96
7.4 多进程操作 .............................................. 97
7.5 进程间的通信 .......................................... 99
7.5.1 管道 ............................................................... 99
7.5.2 消息队列 .......................................................105
7.5.3 共享内存 .......................................................107
7.6 多线程操作 ............................................ 109
7.6.1 线程控制 .......................................................109
7.6.2 线程属性 .......................................................111
7.6.3 互斥锁...........................................................113
7.6.4 信号量...........................................................117
7.7 网络编程 ................................................ 119
7.7.1 网络编程基础概念 .......................................119
7.7.2 网络编程实例 ...............................................122
7.7.3 网络编程小结 ...............................................132
7.8 OpenVPN 使用 ....................................... 132
7.8.1 OpenVPN 简介 .............................................132
7.8.2 OpenVPN 在智龙上的移植 ........................133
7.8.3 生成证书和私钥 ...........................................133
7.8.4 服务器端启动VPN 服务 .............................135
7.8.5 客户端连接VPN 服务器 .............................136
7.8.6 在虚拟机中测试连接 ...................................137
7.8.7 在普华桌面操作系统中测试连接 .............. 138
7.9 应用编程总结 ........................................ 140
第8 章 开发板硬件接口编程 ...................... 141
8.1 点亮一个LED 灯 .................................. 141
8.1.1 LED 的操作接口 ......................................... 141
8.1.2 LED 控制 .................................................... 142
8.1.3 在程序中操作LED 灯 ................................ 142
8.2 GPIO 硬件编程 ...................................... 143
8.2.1 GPIO 和sysfs 操作接口 .............................. 144
8.2.2 GPIO 基本操作 ............................................ 145
8.2.3 在C 程序中操作GPIO ............................... 146
8.3 按键应用层编程 .................................... 148
8.3.1 按键操作接口 .............................................. 148
8.3.2 在程序中操作按键 ...................................... 151
8.4 U 盘和SD 卡 ......................................... 152
8.4.1 U 盘 .............................................................. 152
8.4.2 SD 卡 ............................................................ 153
8.5 RTC 时钟 ............................................... 154
8.6 串口读写 ................................................ 155
8.6.1 串口硬件说明 .............................................. 155
8.6.2 用minicom 操作串口 .................................. 156
8.6.3 用接口操作串口 .......................................... 157
8.6.4 在程序中操作串口 ...................................... 158
高级篇驱动
第9 章 NFS 文件系统搭建 ........................ 163
9.1 在虚拟机端安装NFS ............................ 163
9.2 配置虚拟机NFS .................................... 164
9.3 配置开发板NFS .................................... 165
9.4 使用NFS ................................................ 166
9.4.1 在开发板上挂载NFS 服务 ......................... 166
9.4.2 建立网络文件系统 .......................................166
第10 章 配置Eclipse 编程 ........................ 168
10.1 用Eclipse 开发应用程序 .................... 168
10.2 用Eclipse 开发内核模块 .................... 170
第11 章 一个简单的字符设备驱动 ............. 175
11.1 主设备号和次设备号 .......................... 175
11.1.1 设备编号的表达 .........................................176
11.1.2 分配和释放设备编号 .................................176
11.2 重要的数据结构 .................................. 178
11.3 字符设备的注册 .................................. 181
11.4 具体实例 .............................................. 182
11.4.1 file_operations 结构体设计 ........................185
11.4.2 模块初始化、模块卸载函数实现 .............186
11.4.3 读写函数的实现 .........................................187
11.4.4 驱动程序编译 .............................................187
11.4.5 驱动程序编译和加载 .................................188
11.4.6 驱动程序测试 .............................................188
11.5 一些有用的资料 .................................. 189
11.6 修改为模块注销自动删除设备节点 .. 190
第12 章 misc 杂项设备驱动 ...................... 191
12.1 misc 使用的结构体和函数 .................. 191
12.2 misc 设备的优点 .................................. 193
12.3 内核源码 .............................................. 193
12.4 具体实例 .............................................. 195
第13 章 PWM控制输出 ............................ 199
13.1 利用 LED_PWM ................................. 199
13.2 自己编写驱动文件 .............................. 205
第14 章 I2C 总线和设备驱动 .................... 214
14.1 I2C 总线概述 ....................................... 214
14.2 Linux I2C 设备驱动 ............................. 214
14.2.1 I2C adapter ..................................................215
14.2.2 I2C 子系统驱动模块的API .......................220
14.2.3 I2C client 的注册 ........................................220
14.2.4 I2C driver ....................................................224
14.2.5 I2C adapter 的注册 .....................................225
14.2.6 I2C tools 的使用 .........................................228
14.2.7 内核模块分析 ............................................ 231
14.3 实例分析at24cxx ................................. 232
14.4 实例分析DS3231 ................................ 234
第15 章 SPI 总线和设备驱动 ..................... 236
15.1 SPI 总线概述 ....................................... 236
15.1.1 硬件结构 .................................................... 236
15.1.2 工作时序 .................................................... 237
15.2 Linux SPI 设备驱动软件架构 ............. 238
15.3 SPI 通用接口层 ................................... 238
15.3.1 SPI 总线和类 ............................................. 238
15.3.2 spi_master 结构 .......................................... 239
15.3.3 spi_device 结构 .......................................... 240
15.3.4 spi_driver 结构 ........................................... 241
15.3.5 spi_message 和spi_transfer 结构 .............. 242
15.4 SPI 控制器驱动 ................................... 244
15.4.1 定义控制器设备 ........................................ 244
15.4.2 注册SPI 控制器的platform_driver .......... 246
15.4.3 注册spi_master .......................................... 246
15.5 SPI 数据传输 ....................................... 249
15.6 实例分析：驱动编写之SPI
设备静态注册spidev.c ........................ 250
15.7 实例分析：驱动编写之SPI
设备动态注册spike.c .......................... 253
15.8 编写测试程序 ...................................... 260
第16 章 CAN 总线和设备驱动 ................... 266
16.1 智龙开发板硬件CAN 接口 ................ 266
16.2 Socket CAN .......................................... 268
16.3 测试工具 .............................................. 269
16.4 Socket CAN 在智龙上的测试：
使用工具iproute2 ................................. 269
16.5 Socket CAN 在智龙上的测试：
使用工具canutils .................................. 273
16.6 编写CAN 的socket 收发
测试程序canapp ................................... 277
16.6.1 程序设计说明 ............................................ 277
16.6.2 程序发送示例 ............................................ 280
16.6.3 程序接收示例 ............................................ 281
16.6.4 发送和接收测试 .........................................282
第17 章 嵌入式GUI 编程 .......................... 284
17.1 使用外部LCD 控制器的
LCD 编程 ............................................ 284
17.1.1 硬件接口 .....................................................284
17.1.2 GPIO 口操作函数 ......................................284
17.1.3 LCD 操作 ....................................................293
17.1.4 编写Makefile .............................................294
17.1.5 代码及运行结果 .........................................295
17.2 基于Qt 使用内部LCD 控制器的
GUI 编程 ............................................... 302
17.2.1 关于Qt ........................................................302
17.2.2 Qt 的移植过程 ............................................303
17.2.3 配置buildroot .............................................304
17.2.4 下载并运行例程 .........................................306
17.2.5 搭建Qt 环境及编写应用程序 ...................308
17.2.6 PMON 及内核源码的修改 ........................313
17.2.7 支持键盘输入和串口、LCD 同时输出 ....314
第18 章 ADC 驱动及应用 .......................... 315
18.1 配置ADC 驱动 .................................... 315
18.2 硬件管脚分配 ...................................... 316
18.3 应用测试 .............................................. 316
18.4 应用层编程 .......................................... 316
第19 章 内核访问外设I/O 资源 ................. 319
19.1 MIPS 的内存映射 ................................ 319
19.2 动态映射方式 ...................................... 320
19.3 静态映射方式 ...................................... 326
19.4 mmap 内存映射 ................................... 328
19.4.1 mmap 系统调用 ..........................................328
19.4.2 系统调用mmap 用于共享内存的
两种方式 .....................................................329
19.4.3 mmap 进行内存映射的原理 ......................329
19.4.4 内存映射的步骤 .........................................333
19.5 mmap 编程示例 ................................... 333
第20 章 PMON 源码编译、烧写、
启动及裸机编程 ........................... 335
20.1 PMON 源码分析 .................................. 335
20.2 PMON 烧写 .......................................... 336
20.2.1 采用编程器更新PMON 到SPI Flash ....... 336
20.2.2 网络更新PMON 到SPI Flash .................. 336
20.2.3 网络更新PMON 到NAND Flash ............. 337
20.3 NAND Flash 存储器分区 .................... 337
20.4 内核启动过程 ...................................... 338
20.4.1 内核从NAND Flash 中加载 ..................... 338
20.4.2 内核从SD Card 中加载 ............................ 339
20.4.3 内核从tftp 中加载 ..................................... 340
20.4.4 设置PMON 的IP 地址 ............................. 340
20.5 PMON 的内置命令 .............................. 341
20.6 PMON 龙芯官方参考 .......................... 342
20.7 PMON 裸机编程 .................................. 342
第21 章 在Windows 环境下搭建龙芯1C
开发环境及龙芯1C 库 ................ 344
21.1 交叉编译工具链的下载和安装 .......... 344
21.2 MinGW 的下载和安装 ........................ 345
21.3 编译 ...................................................... 347
21.4 调试和运行 .......................................... 348
21.5 运行点灯程序 ...................................... 349
21.6 龙芯1C 库............................................ 350
第22 章 智龙开发板应用及其他龙芯开
发板 ............................................. 351
22.1 智龙开发板应用例程 .......................... 351
22.1.1 WiFi 小车应用 ........................................... 351
22.1.2 北斗导航应用 ............................................ 351
22.1.3 龙印3D 打印机 ......................................... 352
22.1.4 LCD 扩展板 ............................................... 353
22.1.5 其他应用开发例程 .................................... 353
22.2 龙芯机器人控制器 .............................. 354
22.2.1 硬件结构 .................................................... 354
22.2.2 烧录内核与根文件系统 ............................ 354
22.2.3 机器人控制器的PWM 输出操作 ............. 356
22.2.4 机器人控制器的应用 ................................ 357
22.3 智龙开发板在高校和社区中的
推广应用 .............................................. 357
22.3.1 高校应用 .................................................... 357
22.3.2 龙芯CPU 高校开源计划 ........................... 358
22.3.3 “龙芯杯”全国大学生计算机系统
能力培养大赛 ...........................................359
22.3.4 龙芯俱乐部开源社区 .................................359
22.3.5 基于龙芯平台的嵌入式系统设计竞赛等
高校比赛活动 .............................................360
第23 章 Linux 内核的配置和编译 .............. 362
23.1 安装图形化配置工具Ncurses ............. 362
23.2 运行图形化配置界面 .......................... 362
23.3 编译、烧写Linux 内核 ....................... 363
23.4 开发板各模块驱动源码 ...................... 363
23.5 配置内核各模块驱动 .......................... 364
23.5.1 配置网卡驱动 .............................................364
23.5.2 配置NFS 支持 ...........................................367
23.5.3 配置串口驱动 .............................................369
23.5.4 配置LCD 驱动 ...........................................370
23.5.5 配置按键驱动 .............................................372
23.5.6 配置SD 卡驱动 ..........................................374
23.5.7 配置U 盘驱动 ............................................375
23.5.8 配置USB 鼠标和键盘驱动 .......................377
23.5.9 配置USB OTG 驱动 ..................................380
23.5.10 配置音频驱动 ...........................................381
23.5.11 配置RTC 驱动 .........................................382
23.5.12 配置PWM 驱动 .......................................384
23.5.13 配置LED 驱动 .........................................386
23.5.14 配置红外驱动 ...........................................387
23.5.15 配置CAN 总线驱动 ................................388
23.5.16 配置SPI 控制器驱动 ...............................390
23.5.17 配置I2C 控制器驱动 ...............................391
23.5.18 配置ADC 驱动 ........................................392
23.5.19 配置GPIO 驱动 .......................................393
23.5.20 配置看门狗驱动 ...................................... 394
参考文献 ..................................................... 396
附录1 常用Linux 命令 .............................. 397
附录2 VIM 图例及常用操作 ....................... 410
附录3 BusyBox 的下载及配置 ................... 411
附录4 PMON 常用命令 ............................. 412
附录5 创建与驱动程序对应的设备节点 ..... 415
附录6 Linux 文件结构 ............................... 416
附录7 git 命令 ........................................... 418
附录8 在PMON 中使用命令devcp 进行
坏块处理和支持yaffs2 烧写 ........... 420
附录9 智龙开发板V2 电路原理图 ............. 421
附录10 智龙开发板V3 电路原理图 ........... 422
附录11 LCD 扩展板（外部控制器）
原理图.......................................... 423
附录12 LCD 扩展板（内部控制器）
原理图 ........................................... 424
附录13 机器人控制器电路原理图 .............. 425
附录14 第一届全国大学生嵌入式芯片设计
与应用竞赛龙芯平台获奖名单及
作品 ............................................... 426
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