Linux设备驱动开发技术及应用PDF电子书下载

第1章实验环境的设置与准备 1

1.1系统与Linux运行机制准备 2

1.1.1系统准备 2

1.1.2 Linux发布版的安装与环境设定 2

1.2内核源代码的准备 4

1.2.1获取源代码 5

1.2.2编译内核 5

1.2.3内核设定 8

1.3实验设备的准备 10

1.3.1打印机接口的准备 10

1.3.2实现输入输出的准备物品 13

1.4实验环境的检查 14

第2章 Linux内核与设备驱动程序 17

2.1 Linux操作系统 18

2.2 Linux内核 18

2.2.1 Linux的历史 18

2.2.2 Linux内核的功能 19

2.2.3 Linux内核的特点 20

2.2.4内核源代码的结构 21

2.2.5浏览内核源代码 23

2.3设备驱动程序 24

2.3.1向内核请求资源处理的方法 25

2.3.2模块和设备文件 25

2.3.3设备驱动程序的类型 27

2.3.4整合型设备驱动程序（2.6内核） 28

2.3.5设备驱动程序的层次 29

2.3.6设备驱动程序源代码的结构及介绍 31

第3章 设备文件和低级文件输入输出 35

3.1设备文件和文件输入输出函数 36

3.1.1应用程序中控制硬件的方法 36

3.1.2设备文件 36

3.1.3文件输入输出函数 38

3.2低级文件的输入输出函数 39

3.2.1打开和关闭文件函数open（）和close（） 39

3.2.2文件的读取和写入函数read（）和write（） 40

3.2.3文件指针处理函数Iseek（） 41

3.2.4设备控制函数ioctl（） 42

3.2.5同步处理函数fsync（） 42

3.3设备文件相关函数 42

3.3.1设备文件的生成函数 mknod（） 42

3.3.2 Error处理函数perror（） 43

3.4低级文件输入输出函数的应用实例 44

3.4.1准备零部件 44

3.4.2基本低级文件输入输出函数的使用例子 44

3.4.3 loctl（）函数的使用例子 47

3.5 mknod命令和低级文件输入输出函数 50

第4章 简单内核模块的测试 55

4.1内核模块编程的第一步 56

4.1.1“Hello world”的内核模块（内核版本2.4） 56

4.1.2“Hello world”的内核模块（内核版本2.6） 57

4.1.3另一种形式的内核版本2.4的模块程序 59

4.2 内核模块程序的准备 59

4.2.1模块实现原理 60

4.2.2内核提供的符号表：/proc/ksyms 61

4.2.3模块应用程序 61

4.3 内核模块程序的组成 63

4.3.1声明头文件 63

4.3.2模块初始化函数和删除函数的声明 63

4.3.3 2.6内核的权限登记 63

4.4 用于模块编译的Makefile 64

4.4.1 2.4内核中编译外部模块的Makefile 64

4.4.2 2.6内核中编译外部模块的Makefile 65

4.5 模块参数的说明 66

4.5.1 2.4内核模块变量的实例 66

4.5.2 2.6内核模块变量的使用实例 68

4.6 内核消息的输出 70

4.6.1.printk（）函数 70

4.6.2管理内核内存的daemon 72

4.6.3 dmesg命令 72

4.6.4 /proc/kmsg 72

4.6.5 printk（）函数的注意事项 72

4.7内核与模块 72

4.7.1创建为模块的原因 73

4.7.2内核内部的模块管理 73

4.7.3内核模式和内核内存地址空间 75

4.7.4单向的符号引用 75

4.7.5模块和模块的引用 76

第5章 内存的分配和释放 77

5.1变量 78

5.1.1局部变量和全局变量的选择 78

5.1.2防止函数和变量的重复命名 78

5.1.3可移植性和数据类型 78

5.1.4输入输出内存变量的处理 80

5.2动态内存 81

5.2.1函数kmalloc（）和kfree（） 82

5.2.2函数vmalloc（）和vfree（） 83

5.2.3函数_get_ree_pages（）和free_ pages（） 84

5.3动态内存实例 84

5.3.1实例源代码 85

5.3.2运行方法 88

5.4内存池 89

5.5内存池的实例 90

5.5.1实例源代码 90

5.5.2运行方法 92

5.6内存的分配与释放函数 93

第6章 设备的注册与注销 97

6.1设备驱动程序的控制方式 98

6.1.1设备驱动程序的类型 98

6.1.2字符设备驱动程序的运作 99

6.2struct file_operations 101

6.2.1 File_operations结构体域（field） 102

6.2.2低级输入输出函数和fileoperations结构体的域 103

6.3字符设备驱动程序的注册、注销及组成 106

6.3.1字符设备驱动程序的组成 107

6.3.2不同内核版本对structfile_operations变量的定义 108

6.3.3字符设备驱动程序的注册和注销 109

6.4字符设备驱动程序的创建实例 110

6.4.1实例源代码 110

6.4.2执行方法 117

6.5设备驱动程序的注册与注销函数 119

第7章 设备驱动程序的初始化与终止 121

7.1初始化与结束处理 122

7.1.1模块初始化和终止 123

7.1.2函数open（）和函数release（ ）的初始化和终止处理 125

7.1.3整理初始化和终止处理 内容 129

7.2模块使用次数的管理 129

7.2.1 2.4内核 129

7.2.2 2.6内核 130

7.3输入输出空间的竞争处理函数 131

7.3.1输入输出端口域的竞争处理函数 131

7.3.2输入输出内存空间的竞争处理函数 133

7.4设备驱动程序的初始化与终止函数集 135

第8章 设备驱动程序的读取和写入 139

8.1读／写操作的实现 140

8.1.1函数Read（） 141

8.1.2函数Write（） 144

8.1.3Struct file*filp 146

8.2 I/O处理 147

8.2.1I/O映射输入输出处理函数 147

8.2.2内存映射输入输出函数 148

8.3用户进程空间和内核进程空间 149

8.4设备驱动程序的读／写实例 152

8.4.1实例源代码 153

8.4.2实施方法 158

8.5设备驱动程序的读／写函数 160

第9章 主设备号与次设备号的处理 167

9.1主设备号、次设备号及设备的种类 168

9.1.1主设备号 168

9.1.2次设备号 169

9.1.3设备的类型 172

9.2基于次设备号的文件处理方式 174

9.3基于次设备号的文件处理实例 176

9.4预留的主设备号 186

9.4.1被字符设备驱动程序预留的主设备号 186

9.4.2字符设备驱动程序的预留MISC相关次设备号 190

9.4.3块设备驱动程序中预留的主设备号 193

9.4.4分配到test或特定platform平台的主设备号和次设备号 195

第10章设备控制 197

10.1设备的控制 198

10.1.1设备控制ioctl（）函数的作用 198

10.1.2函数ioctl（）的一般状态 199

10.1.3 ioctl上传送的cmd和相关宏函数 200

10.2使用ioctl（）函数的输入输出应用实例 203

10.2.1实例源代码 204

10.2.2实施方法 214

10.3设备控制函数 216

第11章时间处理与内核定时器 217

11.1时间处理 218

11.1.1定时器中断（timerinterrupt） 218

11.1.2处理较短的延迟时间 220

11.1.3处理较长的延迟时间 221

11.1.4系统时间的设置 221

11.2内核定时器 223

11.2.1 struct timer_list变量的初始化 224

11.2.2内核定时器的注册 225

11.2.3内核定时器的取消 226

11.3使用内核定时器控制LED的应用实例 226

11.3.1实例源代码 226

11.3.2实施方法 231

11.4时间处理与内核定时器相关函数 232

第12章 中断处理 235

12.1中断 236

12.1.1什么是中断 236

12.1.2 IRQ中断的处理过程 237

12.1.3中断服务函数的结构 238

12.1.4注册中断服务函数 239

12.1.5注销中断服务函数 240

12.1.6中断函数和设备驱动程序之间的数据共享 241

12.1.7中断服务注册和注销起点 243

12.1.8中断的共享 244

12.1.9中断的禁止和消除 245

12.1.*10 seqlock_t结构体 246

12.1.*11中断和随机数的处理 248

12.1.*12确认发生中断的次数 249

12.2中断发生时的检查实例 249

12.2.1实例源代码 250

12.2.2操作步骤 259

12.3中断处理函数 261

第13章 阻塞型输入输出 263

13.1进程的运行效率与睡眠 264

13.2阻塞型输入输出的实现 265

13.2.1阻塞型输入输出 265

13.2.2阻塞型模式和进程的处理过程 266

13.2.3以阻塞型输入输出模式打开 267

13.2.4等待队列和head_t结构体 268

13.2.5进程的睡眠（sleep）和唤醒（wake up） 269

13.3中断发生时的检查实例 270

13.3.1实例源代码 270

13.3.2实施方法 279

13.4 wait_event_interruptible宏 280

13.5阻塞型输入输出函数 282

第14章 输入输入的复用 285

14.1输入输出的复用 286

14.1.1函数select（） 286

14.1.2函数poll（） 288

14.2输入输出复用的实现 293

14.3打印机端口应用实例 295

14.4输入输出复用函数 308

第15章 任务队列和工作队列 311

15.1任务队列和工作队列的必要性 312

15.1.1需要持续监视特定输入输出时 312

15.1.2中断处理程序难于及时处理时 313

15.1.3需要处理中断服务程序不能胜任的其他工作时 313

15.1.4当设备驱动程序需要与内核结构关联时 313

15.2任务队列 313

15.3工作队列 316

15.3.1调度工作队列 317

15.3.2设备驱动程序自身的工作队列 320

15.4任务队列实例 323

15.4.1实例源代码 323

15.4.2运行方法 327

15.5工作队列实例 329

15.5.1实例源代码 329

15.5.2执行方法 333

15.6使用工作队列控制LED的应用实例 334

15.7使用工作队列防止键盘输入的chattering现象 338

15.8任务队列函数 343

15.9工作队列函数 344

第16章 Bottomhalf 349

16.1 Tophalf和Bottomhalf 350

16.2任务队列和mark_bh（）函数 352

16.3任务队列处理过程的修改（2.4→2.6） 353

16.4中断发生时的检查实例 353

16.5中断函数 357

第17章proc文件系统 359

17.1系统信息的确认 360

17.2 proc文件系统 362

17.3 proc文件系统的运行机制 363

17.4虚拟机实例 365

17.4.1实例源代码 365

17.4.2实施方法 373

17.5 proc文件系统相关函数 374

第18章 内存映射 379

18.1物理地址和虚拟地址 380

18.1.1物理地址 380

18.1.2虚拟地址和MMU 380

18.1.3 Linux内核管理 383

18.2地址变换函数 384

18.2.1物理地址空间映射内核地址空间 384

18.2.2输入输出物理地址和虚拟地址之间的转换函数 385

18.3进程的内存映射 386

18.3.1应用程序中调用的函vmmap（） 387

18.3.2设备驱动程序的mmap 388

18.3.3 nopage映射方式 392

18.4有关mmap（）函数参数值传传递的实例 396

18.4.1实例源代码 396

18.4.2实施方法 400

18.5 VIDEO输入输出的内存mmap实现实例 401

18.5.1实例源代码 402

18.5.2实施方法 407

18.6使用nopage实现mmap的实例 408

18.6.1实例源代码 408

18.6.2实施方法 414

18.7内存映射相关函数 415

19.1模块间引用与 EXPORT_ SYMBOL宏 420

19.2不同版本中内核符号表的注 册方法 421

19.2.1 2.4内核的情况 421

19.2.2 2.6内核的情况 421

19.3模块间符号引用的实例*420 422

19.3.1实例源代码 422

19.3.2实施方法 426

20.1单进程环境下的设备驱动程序 430

20.2多进程环境下的处理 431

20.2.1多进程中的数据处理 431

20.2.2进程重入 432

20.3非抢占式内核环境下的设备驱动程序 434

20.4抢占式内核环境下的设备驱动程序 434

20.4.1抢占式内核的输入输动处理 435

20.4.2抢占式内核的重入处理 436

21.1.4内核源代码中合成设备驱动程序的位置 442

21.1.5内核编译选项文件的修改 442

21.1.6内核源代码中Makefile的修改 443

21.1需要考虑的事项 438

21.1.1头文件和模块编译区分常数 438

21.1.2设备驱动程序的初始化处理 439

21.1.3内核命令处理 440

21.2内核编译选项文件 443

21.2.1.config文件 443

21.2.2 include/linux/autoconf.h 444

21.2.3 2.4内核编译选项文件的语法规则 444

21.2.4 2.6内核编译选项文件的语法规则 449

21.3 Makefile文件的语法规则 454

21.3.1 2.4内核 455

21.3.2 2.6内核 456

21.4将设备驱动程序包含到内核的应用实例 456

21.4.1实例1 457

21.4.2实例2 461

22.1 Linux与块设备驱动程序 466

22.1.1硬盘和设备文件 466

22.1.2辅助记忆装置和设备文件 466

22.1.3 mount和文件系统 467

22.1.4块设备驱动程序 468

22.2硬盘的特点 468

22.2.1硬盘的结构 468

22.2.2硬盘的数据处理方式 469

22.3块设备驱动程序与请求队列 470

22.4不同版本中块设备驱动程序的处理 472

22.5 2.4内核中的块设备处理 474

22.5.1定义块设备的特性 474

22.5.2定义主设备号和从设备号及设备名 475

22.5.3定义与linux/blk.h相关的宏 476

22.5.4注册块设备驱动程序并处理file_ operation结构体 477

22.5.5请求队列相关处理及函数 480

22.5.6处理块设备特性相关的内核全局变量 484

22.5.7分区处理相关的gendisk结构体变量的定义和注册 484

22.5.8增加块设备并检索分区 487

22.5.9注销块设备驱动程序 487

22.6使用make_request方式创建RAM Disk的实例（2.4版） 488

22.6.1实例源代码 488

22.6.2实施方法 493

22.7利用request方式创建虚拟硬盘的实例（2.4版） 494

22.7.1实例源代码 495

22.7.2实施方法 506

22.8 2.6内核版的块设备驱动程序 508

22.8.1块设备驱动程序的注册和注销 508

22.8.2定义块设备驱动程序的结构体 509

22.8.3 struct block_device_operations 509

22.8.4请求队列相关的处理及函数 510

22.8.5 gendisk结构体的生成及注册 514

22.8.6设置块设备的容量 517

22.8.7注销块设备驱动程序 517

22.9利用make_request方式创建RAM Disk的实例（2.6版） 517

22.9.1实例源代码 518

22.9.2实施方法 523

22.10使用request方式创建虚拟硬盘的实例（2.6版） 524

22.10.1实例源代码 525

22.10.2实施方法 533

22.11块设备相关函数（2.4版） 535

22.12块设备相关函数（2.6版） 537

第23章 网络设备驱动程序 541

23.1 Linux系统网络设备驱动程序 542

23.1.1 Linux网络 542

23.1.2网络设备驱动程序的运行 546

23.2网络设备驱动程序的注册与注销 547

23.2.1使用提供函数注册的网络设备驱动程序 548

23.2.2注册新型网络设备驱动程序 551

23.3基本的初始化及注册过程 553

23.3.1初始化调用处理和Space.c 553

23.3.2 PC I设备的硬件检索和初始化 556

23.3.3模块变量io和irq 557

23.4 net_ device结构体的说明 558

23.5网络设备驱动程序的打开和关闭 564

23.5.1网络设备的控制 565

23.5.2网络界面的激活 565

23.5.3网络界面的非激活 566

23.6发送和接收 567

23.6.1 struct sk buff 568

23.6.2发送处理 570

23.6.3超出传送时间的处理 573

23.6.4中断（interrupt ）处理 574

23.6.5接收处理 578

23.7统计处理 585

23.8网络设备驱动程序的控制 587

23.9多播处理 588

23.10网络设备驱动程序相关函数 589

第24章 设备文件系统 591

24.1 devfs文件系统 592

24.1.1激活devfs文件 592

24.1.2 2.6内核devfs文件系统支持函数 594

24.2设备文件的创建实例 596

24.2.1实例源代码 596

24.2.2实施方法 598

24.3 devfs相关函数 600

25.1 sysfs文件系统 604

25.1.1什么是sysfs文件系统 604

25.1.2 kobject结构体和sysfs文件系统 604

25.2 sysfs文件系统的应用 606

25.2.1 sysfs文件系统中显示文件 607

25.2.2从sysfs文件系统获得文件对象 609

第26章 移植系统的移植、信号和帮助 615

26.1向移植系统移植 616

26.2 ARM的DIO设备驱动程序实例 618

26.2.1回路说明 619

26.2.2设备驱动程序的设计 619

26.2.3测试用应用程序的设计 620

26.2.4测试用应用程序的设计 620

26.3信号和SIGIO 635

26.4 SIGIO信号处理实例 638

26.4.1实例源代码 639

26.4.2实施方法 643

26.5 call_usermodehelper的应用实例 644

26.5.1实例源代码 644

26.5.2实施方法 646

26.6 modprobe和模块加载请求的处理 646

第27章 DMAG与PCI设备 649

27.1 DMA 650

27.1.1什么是DMA 650

27.1.2 Linux中的DMA处理 651

27.1.3 DMA和MMAP 655

27.2 PCI 656

27.2.1 PnP和设备环境设置空间 657

27.2.2 PCI设备的设备驱动程序 665

27.2.3总线主控DMA 671