第1篇 Linux驱动开发基础 2
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 4
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 8
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
2.3.3 其他开发板 22
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 29
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 38
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 82
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 84
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 93
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 102
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 112
6.5 小结 113
第2篇 Linux驱动开发核心技术 116
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
8.2.2 等待队列的实现 130
8.2.3 等待队列的使用 130
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 139
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 140
9.2.1 中断信号线（IRQ） 140
9.2.2 中断控制器 141
9.2.3 中断处理过程 141
9.2.4 中断的安装与释放 142
9.3 按键中断实例 143
9.3.1 按键设备原理图 143
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 144
9.4 按键中断实例程序分析 146
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 149
9.5.1 时间度量 149
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 168
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 179
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 191
11.4.3 设备 193
11.4.4 驱动 195
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（） 221
12.3.9 RTC时钟脉冲中断判断函数s3c_rtc_proc（） 222
12.4 小结 222
第13章 看门狗驱动程序 223
13.1 看门狗硬件原理 223
13.1.1 看门狗 223
13.1.2 看门狗工作原理 223
13.2 平台设备模型 225
13.2.1 平台设备模型 226
13.2.2 平台设备 226
13.2.3 平台设备驱动 228
13.2.4 平台设备驱动的注册和注销 229
13.2.5 混杂设备 230
13.2.6 混杂设备的注册和注销 231
13.3 看门狗设备驱动程序分析 231
13.3.1 看门狗驱动程序的一些变量定义 231
13.3.2 看门狗模块的加载和卸载函数 232
13.3.3 看门狗驱动程序探测函数 233
13.3.4 设置看门狗复位时间函数s3c2410wdt_set_heartbeat（） 234
13.3.5 看门狗的开始函数s3c2410wdt_start（）和停止函数s3c24_10wdt_stop（） 236
13.3.6 看门狗驱动程序移除函数s3c2410wdt_remove（） 237
13.3.7 平台设备驱动s3c2410wdt_driver中的其他重要函数 237
13.3.8 混杂设备的file.operations中的函数 238
13.3.9 看门狗中断处理函数s3c2410wdt_irq（） 241
13.4 小结 242
第14章 IIC设备驱动程序 243
14.1 IIC设备的总线及其协议 243
14.1.1 IIC总线的特点 243
14.1.2 IIC总线的信号类型 244
14.1.3 IIC总线的数据传输 244
14.2 IIC设备的硬件原理 244
14.3 IIC设备驱动程序的层次结构 246
14.3.1 IIC设备驱动的概述 246
14.3.2 IIC设备层 247
14.3.3 i2c_driver和i2c_client的关系 249
14.3.4 IIC总线层 249
14.3.5 IIC设备层和总线层的关系 251
14.3.6 写IIC设备驱动的步骤 251
14.4 IIC子系统的初始化 252
14.4.1 IIC子系统初始化函数i2c_init（） 252
14.4.2 IIC子系统退出函数i2c_exit（） 253
14.5 适配器驱动程序 253
14.5.1 s3c2440对应的适配器结构体 253
14.5.2 IIC适配器加载函数i2c_add_adapter（） 255
14.5.3 IDR机制 256
14.5.4 适配器卸载函数i2c_del_adapter（） 258
14.5.5 IIC总线通信方法s3c24xx_i2c_algorithm结构体 258
14.5.6 适配器的传输函数s3c24xx_i2c_doxfer（） 260
14.5.7 适配器的中断处理函数s3c24xx_i2c_irq（） 263
14.5.8 字节传输函数i2s_s3c_irq_nextbyte（） 265
14.5.9 适配器传输停止函数s3c24xx_i2c_stop（） 267
14.5.10 中断处理函数的一些辅助函数 268
14.6 IIC设备层驱动程序 268
14.6.1 IIC设备驱动模块加载和卸载 269
14.6.2 探测函数s3c24xx_i2c_probe（） 270
14.6.3 移除函数s3c24xx_i2c_remove（） 272
14.6.4 控制器初始化函数s3c24xx_i2c_init（） 273
14.6.5 设置控制器数据发送频率函数s3c24xx_i2c_clockrate（） 274
14.7 小结 276
第15章 LCD设备驱动程序 277
15.1 FrameBuffer概述 277
15.1.1 FrameBuffer的概念 277
15.1.2 FrameBuffer与应用程序的交互 278
15.1.3 FrameBuffer显示原理 278
15.1.4 LCD显示原理 278
15.2 FrameBuffer的结构分析 279
15.2.1 FrameBuffer架构和其关系 279
15.2.2 FrameBuffer驱动程序的实现 280
15.2.3 FrameBuffer架构及其关系 281
15.3 LCD驱动程序分析 286
15.3.1 LCD模块的加载和卸载函数 286
15.3.2 LCD驱动程序的平台数据 287
15.3.3 LCD模块的探测函数 289
15.3.4 移除函数 293
15.4 小结 294
第16章 触摸屏设备驱动程序 295
16.1 触摸屏设备工作原理 295
16.1.1 触摸屏设备概述 295
16.1.2 触摸屏设备的类型 295
16.1.3 电阻式触摸屏 296
16.2 触摸屏设备硬件结构 296
16.2.1 s3c2440触摸屏接口概述 296
16.2.2 s3c2440触摸屏接口的工作模式 297
16.2.3 s3c2440触摸屏设备寄存器 297
16.3 触摸屏设备驱动程序分析 301
16.3.1 触摸屏设备驱动程序组成 301
16.3.2 s3c2440触摸屏驱动模块的加载和卸载函数 302
16.3.3 s3c2440触摸屏驱动模块的探测函数 303
16.3.4 触摸屏设备配置 305
16.3.5 触摸屏设备中断处理函数 307
16.3.6 s3c2440触摸屏驱动模块的remove（）函数 311
16.4 测试触摸屏驱动程序 312
16.5 小结 313
第17章 输入子系统设计 314
17.1 input子系统入门 314
17.1.1 简单的实例 314
17.1.2 注册函数input_register_device（） 316
17.1.3 向子系统报告事件 319
17.2 handler注册分析 324
17.2.1 输入子系统的组成 325
17.2.2 input_handler结构体 325
17.2.3 注册input_handler 326
17.2.4 input_handle结构体 327
17.2.5 注册input_handle 328
17.3 input子系统 329
17.3.1 子系统初始化函数input_init（） 329
17.3.2 文件打开函数input_open_file（） 330
17.4 evdev输入事件驱动分析 331
17.4.1 evdev的初始化 331
17.4.2 evdev设备的打开 334
17.5 小结 336
第18章 块设备驱动程序 337
18.1 块设备简介 337
18.1.1 块设备总体概述 337
18.1.2 块设备的结构 338
18.2 块设备驱动程序的架构 340
18.2.1 块设备加载过程 340
18.2.2 块设备卸载过程 341
18.3 通用块层 342
18.3.1 通用块层 342
18.3.2 alloc_disk（）函数对应的gendisk结构体 342
18.3.3 块设备的注册和注销 344
18.3.4 请求队列 345
18.3.5 设置gendisk属性中的block_device_operations结构体 346
18.4 不使用请求队列的块设备驱动 347
18.4.1 不使用请求队列的块设备驱动程序的组成 347
18.4.2 宏定义和全局变量 348
18.4.3 加载函数 349
18.4.4 卸载函数 350
18.4.5 自定义请求处理函数 351
18.4.6 驱动的测试 352
18.5 I/O调度器 355
18.5.1 数据从内存到磁盘的过程 355
18.5.2 块I/O请求（bio） 355
18.5.3 请求结构（request） 358
18.5.4 请求队列（request_queue） 360
18.5.5 请求队列、请求结构、bio等之间的关系 361
18.5.6 四种调度算法 361
18.6 自定义I/O调度器 363
18.6.1 Virtual_blkdev块设备的缺陷 363
18.6.2 指定noop调度器 363
18.6.3 Virtual_blkdev的改进实例 364
18.6.4 编译和测试 365
18.7 脱离I/O调度器 365
18.7.1 请求队列中的bio处理函数 365
18.7.2 通用块层函数调用关系 367
18.7.3 对Virtual_blkdev块设备的改进 369
18.7.4 编译和测试 371
18.8 块设备的物理结构 372
18.8.1 为Virtual_blkdev块设备添加分区 372
18.8.2 对新的Virtual_blkdev代码的分析 373
18.8.3 编译和测试 374
18.8.4 分区数的计算 376
18.8.5 设置Virtual_blkdev的结构 377
18.8.6 编译和测试 379
18.9 小结 383
第19章 USB设备驱动程序 384
19.1 USB概述 384
19.1.1 USB概念 384
19.1.2 USB的特点 385
19.1.3 USB总线拓扑结构 386
19.1.4 USB驱动总体架构 386
19.2 USB设备驱动模型 389
19.2.1 USB驱动初探 389
19.2.2 USB设备驱动模型 392
19.2.3 USB驱动结构usb_driver 394
19.3 USB设备驱动程序 398
19.3.1 USB设备驱动加载和卸载函数 398
19.3.2 探测函数probe（）的参数usb_interface 400
19.3.3 USB协议中的设备 400
19.3.4 端点的传输方式 406
19.3.5 设置 408
19.3.6 探测函数storage_probe（） 410
19.4 获得USB设备信息 412
19.4.1 设备关联函数associate_dev（） 412
19.4.2 获得设备信息函数get_device_info（） 413
19.4.3 得到传输协议get_transport（）函数 415
19.4.4 获得协议信息函数get_protocol（） 416
19.4.5 获得管道信息函数get_pipes（） 417
19.5 资源的初始化 420
19.5.1 storage_probe（）函数调用过程 420
19.5.2 资源获取函数usb_stor_acquire_resources（） 420
19.5.3 USB请求块（urb） 421
19.6 控制子线程 425
19.6.1 控制线程 425
19.6.2 扫描线程usb_stor_scan_thread（） 427
19.6.3 获得LUN函数usb_stor_Bulk_max_lun（） 428
19.7 小结 435