Linux设备驱动开发

1.本书将帮助您了解驱动程序的基础知识，并为漫长的Linux内核之旅做好准备。
2.本书介绍了基于各种Linux子系统的驱动程序开发，例如内存管理、PWM、RTC、IIO和IRQ管理。
3.本书还提供了有关直接内存访问和网络设备驱动程序的实用方法。
4.通过阅读本书，您将掌握设备驱动程序开发的概念，并将能够使用**的内核版本（编写本书时为v4.13）从头编写任何设备驱动程序。
5.提供源代码。

Linux内核是一个复杂、可移植、模块化且使用广泛的软件，其可在设备的服务器和嵌入式系统上运行。设备驱动程序在Linux系统的性能方面起着至关重要的作用。由于Linux已经成为非常受欢迎的操作系统，因此开发专有设备驱动程序的需求也在稳步增长。

您将学到以下内容：
·使用内核工具开发功能强大的驱动程序；
·为I2C和SPI设备开发驱动程序，并使用Regmap API；
·在驱动程序内编写和支持设备树；
·为网络和帧缓冲设备编写高级驱动程序；
·深入研究Linux irqdomain API并编写中断控制器驱动程序；
·通过调节器和PWM框架增强技能；
·使用IIO框架开发测量系统驱动程序；
·充分利用内存管理和DMA子系统；
·访问和管理GPIO子系统并开发GPIO控制器驱动程序。

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。

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