Linux驱动开发入门与实战

目录 第1篇 Linux驱动开发基础 第1章 Linux驱动开发概述 2 1.1 Linux设备驱动的基本概念 2 1.1.1 设备驱动程序概述 2 1.1.2 设备驱动程序的作用 2 1.1.3 设备驱动的分类 3 1.2 Linux操作系统与驱动的关系 4 1.3 Linux驱动程序开发 4 1.3.1 用户态和内核态 5 1.3.2 模块机制 5 1.3.3 编写设备驱动程序需要了解的知识 6 1.4 编写设备驱动程序的注意事项 6 1.4.1 应用程序开发与驱动程序开发的差异 6 1.4.2 GUN C开发驱动程序 7 1.4.3 不能使用C库开发驱动程序 7 1.4.4 没有内存保护机制 7 1.4.5 小内核栈 8 1.4.6 重视可移植性 8 1.5 Linux驱动的发展趋势 9 1.5.1 Linux驱动的发展 9 1.5.2 驱动的应用 9 1.5.3 相关学习资源 9 1.6 小结 10 第2章 嵌入式处理器和开发板简介 11 2.1 处理器的选择 11 2.1.1 处理器简述 11 2.1.2 处理器的种类 11 2.2 ARM处理器 13 2.2.1 ARM处理器简介 14 2.2.2 ARM处理器系列 14 2.2.3 ARM处理器的应用 16 2.2.4 ARM处理器的选型 16 2.2.5 ARM处理器选型举例 19 2.3 S3C2440开发板 20 2.3.1 S3C2440开发板简介 20 2.3.2 S3C2440开发板的特性 20 2.4 小结 22 第3章 构建嵌入式驱动程序开发环境 23 3.1 虚拟机和Linux安装 23 3.1.1 在Windows上安装虚拟机 23 3.1.2 在虚拟机上安装Linux 27 3.1.3 设置共享目录 28 3.2 代码阅读工具Source Insight 29 3.2.1 Source Insight简介 30 3.2.2 阅读源代码 30 3.3 小结 33 第4章 构建嵌入式Linux操作系统 34 4.1 Linux操作系统的介绍 34 4.1.1 Linux操作系统 34 4.1.2 Linux操作系统的优点 35 4.2 Linux内核子系统 36 4.2.1 进程管理 36 4.2.2 内存管理 37 4.2.3 文件系统 37 4.2.4 设备管理 37 4.2.5 网络功能 38 4.3 Linux源代码结构分析 38 4.3.1 arch目录 38 4.3.2 drivers目录 39 4.3.3 fs目录 39 4.3.4 其他目录 40 4.4 内核配置选项 41 4.4.1 配置编译过程 41 4.4.2 常规配置 42 4.4.3 模块配置 44 4.4.4 块设备层配置 44 4.4.5 CPU类型和特性配置 45 4.4.6 电源管理配置 47 4.4.7 总线配置 49 4.4.8 网络配置 50 4.4.9 设备驱动配置 53 4.4.10 文件系统配置 60 4.5 嵌入式文件系统基础知识 62 4.5.1 嵌入式文件系统 62 4.5.2 嵌入式系统的存储介质 63 4.5.3 JFFS文件系统 64 4.5.4 YAFFS文件系统 64 4.6 构建根文件系统 64 4.6.1 根文件系统概述 65 4.6.2 Linux根文件系统目录结构 65 4.6.3 BusyBox构建根文件系统 66 4.7 小结 71 第5章 构建第一个驱动程序 72 5.1 开发环境配置之内核升级 72 5.1.1 为什么升级内核 72 5.1.2 内核升级 73 5.1.3 make menconfig的注意事项 75 5.2 Hello World驱动程序 77 5.2.1 驱动模块的组成 77 5.2.2 Hello World模块 78 5.2.3 编译Hello World模块 79 5.2.4 模块的操作 81 5.2.5 Hello World模块加载后文件系统的变化 82 5.3 模块参数和模块之间通信 83 5.3.1 模块参数 83 5.3.2 模块的文件格式ELF 83 5.3.3 模块之间的通信 84 5.3.4 模块之间的通信实例 85 5.4 将模块加入内核 88 5.4.1 向内核添加模块 88 5.4.2 Kconfig 88 5.4.3 Kconfig的语法 89 5.4.4 应用实例：在内核中新增加add_sub模块 92 5.4.5 对add_sub模块进行配置 94 5.5 小结 95 第6章 简单的字符设备驱动程序 96 6.1 字符设备驱动程序框架 96 6.1.1 字符设备和块设备 96 6.1.2 主设备号和次设备号 97 6.1.3 申请和释放设备号 98 6.2 初识cdev结构 99 6.2.1 cdev结构体 99 6.2.2 file_operations结构体 101 6.2.3 cdev和file_operations结构体的关系 102 6.2.4 inode结构体 103 6.3 字符设备驱动的组成 103 6.3.1 字符设备加载和卸载函数 103 6.3.2 file_operations结构体和其成员函数 104 6.3.3 驱动程序与应用程序的数据交换 105 6.3.4 字符设备驱动程序组成小结 106 6.4 VirtualDisk字符设备驱动 106 6.4.1 VirtualDisk的头文件、宏和设备结构体 106 6.4.2 加载和卸载驱动程序 107 6.4.3 cdev的初始化和注册 108 6.4.4 打开和释放函数 109 6.4.5 读写函数 110 6.4.6 seek()函数 111 6.4.7 ioctl()函数 113 6.5 小结 113 第2篇 Linux驱动开发核心技术 第7章 设备驱动中的并发控制 116 7.1 并发与竞争 116 7.2 原子变量操作 116 7.2.1 原子变量操作 116 7.2.2 原子整型操作 117 7.2.3 原子位操作 119 7.3 自旋锁 120 7.3.1 自旋锁概述 120 7.3.2 自旋锁的使用 120 7.3.3 自旋锁的使用注意事项 122 7.4 信号量 122 7.4.1 信号量概述 122 7.4.2 信号量的实现 123 7.4.3 信号量的使用 123 7.4.4 自旋锁与信号量的对比 125 7.5 完成量 126 7.5.1 完成量概述 126 7.5.2 完成量的实现 126 7.5.3 完成量的使用 127 7.6 小结 128 第8章 设备驱动中的阻塞和同步机制 129 8.1 阻塞和非阻塞 129 8.2 等待队列 130 8.2.1 等待队列概述 130 8.2.3 等待队列的实现 130 8.2.3 等待队列的使用 131 8.3 同步机制实验 132 8.3.1 同步机制设计 132 8.3.2 实验验证 136 8.4 小结 137 第9章 中断与时钟机制 138 9.1 中断简述 138 9.1.1 中断的概念 138 9.1.2 中断的宏观分类 139 9.1.3 中断产生的位置分类 140 9.1.4 同步和异步中断 140 9.1.5 中断小结 140 9.2 中断的实现过程 141 9.2.1 中断信号线（IRQ） 141 9.2.2 中断控制器 141 9.2.3 中断处理过程 142 9.2.4 中断的安装与释放 142 9.3 按键中断实例 144 9.3.1 按键设备原理图 144 9.3.2 有寄存器设备和无寄存器设备 144 9.3.3 按键设备相关端口寄存器 145 9.4 按键中断实例程序分析 147 9.4.1 按键驱动程序组成 147 9.4.2 初始化函数s3c2440_buttons_init() 147 9.4.3 中断处理函数isr_button() 148 9.4.4 退出函数s3c2440_buttons_exit() 149 9.5 时钟机制 150 9.5.1 时间度量 150 9.5.2 时间延时 150 9.6 小结 151 第10章 内外存访问 152 10.1 内存分配 152 10.1.1 kmalloc()函数 152 10.1.2 vmalloc()函数 153 10.1.3 后备高速缓存 155 10.2 页面分配 156 10.2.1 内存分配 156 10.2.2 物理地址和虚拟地址之间的转换 159 10.3 设备I/O端口的访问 160 10.3.1 Linux I/O端口读写函数 160 10.3.2 I/O内存读写 160 10.3.3 使用I/O端口 164 10.4 小结 166 第3篇 Linux驱动开发实用实战 第11章 设备驱动模型 168 11.1 设备驱动模型概述 168 11.1.1 设备驱动模型的功能 168 11.1.2 sysfs文件系统 169 11.1.3 sysfs文件系统的目录结构 170 11.2 设备驱动模型的核心数据结构 171 11.2.1 kobject结构体 171 11.2.2 设备属性kobj_type 175 11.3 注册kobject到sysfs中的实例 179 11.3.1 设备驱动模型结构 179 11.3.2 kset集合 180 11.3.3 kset与kobject的关系 181 11.3.4 kset相关的操作函数 182 11.3.5 注册kobject到sysfs中的实例 183 11.3.6 实例测试 187 11.4 设备驱动模型的三大组件 188 11.4.1 总线 188 11.4.2 总线属性和总线方法 192 11.4.3 设备 194 11.4.4 驱动 196 11.5 小结 198 第12章 RTC实时时钟驱动 199 12.1 RTC实时时钟硬件原理 199 12.1.1 RTC实时时钟 199 12.1.2 RTC实时时钟的功能 199 12.1.2 RTC实时时钟的工作原理 201 12.2 RTC实时时钟架构 205 12.2.1 加载卸载函数 205 12.2.2 RTC实时时钟的平台驱动 206 12.2.3 RTC驱动探测函数 207 12.2.4 RTC实时时钟的使能函数s3c_rtc_enable() 210 12.2.5 RTC实时时钟设置频率函数s3c_rtc_setfreq() 211 12.2.6 RTC设备注册函数 rtc_device_register() 212 12.3 RTC文件系统接口 214 12.3.1 文件系统接口rtc_class_ops 214 12.3.2 RTC实时时钟打开函数s3c_rtc_open() 215 12.3.3 RTC实时时钟关闭函数s3c_rtc_release() 216 12.3.4 RTC实时时钟获得时间函数s3c_rtc_gettime() 216 12.3.5 RTC实时时钟设置时间函数s3c_rtc_settime() 218 12.3.6 RTC驱动探测函数s3c_rtc_getalarm() 219 12.3.7 RTC实时时钟设置报警时间函数s3c_rtc_setalarm() 220 12.3.8 RTC设置脉冲中断使能函数s3c_rtc_setpie() 222 12.3.9 RTC时钟脉冲中断判断函数s3c_rtc_proc() 222 12.4 小结 223 第13章 看门狗驱动程序 224 13.1 看门狗硬件原理 224 13.1.1 看门狗 224 13.1.2 看门狗工作原理 224 13.2 平台设备模型 226 13.2.1 平台设备模型 226 13.2.2 平台设备 227 13.2.3 平台设备驱动 229 13.2.4 平台设备驱动的注册和注销 230 13.2.5 混杂设备 231 13.2.6 混杂设备的注册和注销 232 13.3 看门狗设备驱动程序分析 232 13.3.1 看门狗驱动程序的一些变量定义 232 13.3.2 看门狗模块的加载和卸载函数 233 13.3.3 看门狗驱动程序探测函数 234 13.3.4 设置看门狗复位时间函数s3c2410wdt_set_heartbeat() 235 13.3.5 看门狗的开始函数s3c2410wdt_start()和停止函数 s3c2410wdt_ stop() 237 13.3.6 看门狗驱动程序移除函数s3c2410wdt_remove() 238 13.3.7 平台设备驱动s3c2410wdt_driver中的其他重要函数 238 13.3.8 混杂设备的file_operations中的函数 239 13.3.9 看门狗中断处理函数s3c2410wdt_irq() 242 13.4 小结 243 第14章 IIC设备驱动程序 244 14.1 IIC设备的总线及其协议 244 14.1.1 IIC总线的特点 244 14.1.2 IIC总线的信号类型 245 14.1.3 IIC总线的数据传输 245 14.2 IIC设备的硬件原理 246 14.3 IIC设备驱动程序的层次结构 247 14.3.1 IIC设备驱动的概述 248 14.3.2 IIC设备层 248 14.3.3 i2c_driver和i2c_client的关系 251 14.3.4 IIC总线层 251 14.3.5 IIC设备层和总线层的关系 253 14.3.6 写IIC设备驱动的步骤 253 14.4 IIC子系统的初始化 254 14.4.1 IIC子系统初始化函数i2c_init() 254 14.4.2 IIC子系统退出函数i2c_exit () 254 14.5 适配器驱动程序 255 14.5.1 s3c2440对应的适配器结构体 255 14.5.2 IIC适配器加载函数i2c_add_adapter() 257 14.5.3 IDR机制 257 14.5.4 适配器卸载函数i2c_del_adapter() 260 14.5.5 IIC总线通信方法s3c24xx_i2c_algorithm结构体 260 14.5.6 适配器的传输函数s3c24xx_i2c_doxfer() 262 14.5.7 适配器的中断处理函数s3c24xx_i2c_irq() 265 14.5.8 字节传输函数i2s_s3c_irq_nextbyte() 267 14.5.9 适配器传输停止函数s3c24xx_i2c_stop() 269 14.5.10 中断处理函数的一些辅助函数 270 14.6 IIC设备层驱动程序 270 14.6.1 IIC设备驱动模块加载和卸载 271 14.6.2 探测函数s3c24xx_i2c_probe() 272 14.6.3 移除函数s3c24xx_i2c_remove() 274 14.6.4 控制器初始化函数s3c24xx_i2c_init() 275 14.6.5 设置控制器数据发送频率函数s3c24xx_i2c_clockrate() 276 14.7 小结 278 第15章 LCD设备驱动程序 279 15.1 FrameBuffer概述 279 15.1.1 FrameBuffer的概念 279 15.1.2 FrameBuffer与应用程序的交互 280 15.1.3 FrameBuffer显示原理 280 15.1.4 LCD显示原理 281 15.2 FrameBuffer的结构分析 281 15.2.1 FrameBuffer架构和其关系 281 15.2.2 FrameBuffer驱动程序的实现 282 15.2.3 FrameBuffer架构及其关系 283 15.3 LCD驱动程序分析 288 15.3.1 LCD模块的加载和卸载函数 288 15.3.2 LCD驱动程序的平台数据 290 15.3.3 LCD模块的探测函数 291 15.3.4 移除函数 295 15.4 小结 296 第16章 触摸屏设备驱动程序 297 16.1 触摸屏设备工作原理 297 16.1.1 触摸屏设备概述 297 16.1.2 触摸屏设备的类型 297 16.1.3 电阻式触摸屏 298 16.2 触摸屏设备硬件结构 298 16.2.1 s3c2440触摸屏接口概述 298 16.2.2 s3c2440触摸屏接口的工作模式 299 16.2.3 s3c2440触摸屏设备寄存器 300 16.3 触摸屏设备驱动程序分析 303 16.3.1 触摸屏设备驱动程序组成 303 16.3.2 s3c2440触摸屏驱动模块的加载和卸载函数 304 16.3.3 s3c2440触摸屏驱动模块的探测函数 305 16.3.4 触摸屏设备配置 308 16.3.5 触摸屏设备中断处理函数 309 16.3.6 s3c2440触摸屏驱动模块的remove()函数 314 16.4 测试触摸屏驱动程序 314 16.5 小结 316 第17章 输入子