Linux 設備驅動開發 Mastering Linux Device Driver Development: Write custom device drivers to support computer peripherals in Linux operating systems (Paperback)

《Linux設備驅動開發》本書詳細闡述了與Linux設備驅動開發相關的基本解決方案，主要包括Linux內核概念、regmap API應用、MFD子系統和syscon API、通用時鐘框架、ALSA SoC框架、V4L2和視頻採集、集成V4L2異步和媒體控制器框架、V4L2 API、Linux內核電源管理、PCI設備驅動、NVMEM框架、看門狗設備驅動、Linux內核調試技巧和**實踐等內容。此外，本書還提供了相應的示例、代碼，以幫助讀者進一步理解相關方案的實現過程。 本書適合作為高等院校電腦及相關專業的教材和教學參考書，也可作為相關開發人員的自學用書和參考手冊。 本書詳細闡述了與Linux設備驅動開發相關的基本解決方案，主要包括Linux內核概念、regmap API應用、MFD子系統和syscon API、通用時鐘框架、ALSA SoC框架、V4L2和視頻採集、集成V4L2異步和媒體控制器框架、V4L2 API、Linux內核電源管理、PCI設備驅動、NVMEM框架、看門狗設備驅動、Linux內核調試技巧和**實踐等內容。此外，本書還提供了相應的示例、代碼，以幫助讀者進一步理解相關方案的實現過程。 本書適合作為高等院校電腦及相關專業的教材和教學參考書，也可作為相關開發人員的自學用書和參考手冊。

目    錄

第1篇  用於嵌入式設備驅動程序開發的內核核心框架

第1章  嵌入式開發人員需要掌握的Linux內核概念 3

1.1  技術要求 3

1.2  內核鎖API和共享對象 3

1.2.1  自旋鎖 4

1.2.2  禁用中斷與僅禁用搶占 8

1.2.3  互斥鎖 8

1.2.4  try-lock方法 11

1.3  Linux內核中的等待、感知和阻塞 13

1.3.1  等待活動完成或狀態改變 13

1.3.2  Linux內核等待隊列 15

1.4  工作延遲機制 19

1.4.1  softIRQ 20

1.4.2  關於ksoftirqd 24

1.4.3  tasklet 25

1.4.4  工作隊列 28

1.4.5  內核共享隊列 31

1.4.6  新的工作隊列 32

1.4.7  並發管理的工作隊列 33

1.5  Linux內核中斷管理 37

1.5.1  中斷的狀態 37

1.5.2  中斷處理流程 38

1.5.3  設計中斷處理程序 40

1.5.4  中斷的標志 42

1.5.5  中斷的返回值 44

1.5.6  關於中斷的一些註意事項 45

1.5.7  上半部和下半部的概念 46

1.5.8  線程中斷處理程序 48

1.5.9  請求一個上下文中斷 53

1.5.10  使用工作隊列延遲下半部 55

1.5.11  從中斷處理程序中鎖定 58

1.6  小結 61

第2章  regmap API應用 63

2.1  技術要求 63

2.2  regmap及其數據結構 64

2.2.1  struct regmap_config結構體中的字段 65

2.2.2  訪問設備寄存器 69

2.2.3  一次讀/寫多個寄存器 71

2.2.4  更新寄存器中的位 72

2.3  regmap和IRQ管理 73

2.3.1  Linux內核IRQ管理的結構 73

2.3.2  創建映射 74

2.3.3  struct irq_domain_ops 76

2.3.4  irq_domain_ops.map() 77

2.3.5  irq_domain_ops.xlate() 77

2.4  鏈接IRQ 78

2.4.1  鏈式中斷 78

2.4.2  嵌套中斷 83

2.4.3  irqchip和gpiolib API—新一代 85

2.4.4  基於gpiochip的鏈式IRQ芯片 87

2.4.5  基於gpiochip的嵌套IRQ芯片 89

2.5  regmap IRQ API和數據結構 91

2.5.1  regmap IRQ數據結構 91

2.5.2  regmap IRQ API 95

2.5.3  regmap IRQ API示例 98

2.6  小結 102

第3章  深入研究MFD子系統和syscon API 103

3.1  技術要求 103

3.2  MFD子系統和syscon API 104

3.2.1  da9055設備驅動程序示例 104

3.2.2  max8925設備驅動程序示例 113

3.3  MFD設備的設備樹綁定 116

3.4  瞭解syscon和simple-mfd 119

3.4.1  syscon API 119

3.4.2  simple-mfd 123

3.5  小結 125

第4章  通用時鐘框架 127

4.1  技術要求 128

4.2  CCF數據結構和接口 128

4.2.1  瞭解struct clk_hw及其依賴項 129

4.2.2  註冊/取消註冊時鐘提供者 131

4.2.3  將時鐘公開給使用者 135

4.2.4  時鐘提供者設備樹節點及其相關機制 136

4.2.5  瞭解of_parse_phandle_with_args() API 138

4.2.6  瞭解__of_clk_get_from_provider() API 140

4.2.7  時鐘解碼回調 141

4.3  編寫時鐘提供者驅動程序 145

4.3.1  有關時鐘提供者驅動程序的基礎知識 145

4.3.2  提供時鐘操作 149

4.3.3  clk_hw.init.flags中的時鐘標志 152

4.3.4  固定頻率時鐘案例研究及其操作 154

4.3.5  通用簡化註意事項 156

4.3.6  固定頻率時鐘設備綁定 158

4.3.7  PWM時鐘 159

4.3.8  固定倍頻時鐘驅動程序及其操作 160

4.3.9  固定倍頻時鐘的設備樹綁定 162

4.3.10  門控時鐘及其操作 162

4.3.11  基於I2C/SPI的門控時鐘 164

4.3.12  GPIO門控時鐘 165

4.3.13  多選一時鐘及其操作 165

4.3.14  基於I2C/SPI的多選一時鐘 170

4.3.15  GPIO多選一時鐘 170

4.3.16  分頻器時鐘及其操作 172

4.3.17  復合時鐘及其操作 176

4.3.18  綜合概述 177

4.4  時鐘使用者API 179

4.4.1  獲取和釋放時鐘 180

4.4.2  準備/取消準備時鐘 180

4.4.3  啟用/禁用 181

4.4.4  頻率函數 181

4.4.5  父函數 182

4.4.6  綜合概述 182

4.5  小結 182

第2篇  嵌入式Linux系統中的多媒體和節能

第5章  ALSA SoC框架—利用編解碼器和平臺類驅動程序 185

5.1  技術要求 186

5.2  ASoC簡介 186

5.2.1  ASoC數字音頻接口 187

5.2.2  ASoC子元素 187

5.3  編寫編解碼器類驅動程序 189

5.3.1  編解碼器驅動程序的實例結構 190

5.3.2  編解碼器DAI和PCM配置 192

5.3.3  DAI操作 193

5.3.4  採集和回放硬件配置 196

5.3.5  控件的概念 197

5.3.6  控件命名約定 199

5.3.7  控制元數據 200

5.3.8  定義kcontrol 200

5.3.9  設置一個簡單開關 202

5.3.10  設置帶有音量級別的開關 203

5.3.11  立體聲控件 203

5.3.12　帶音量級別的立體聲控件 203

5.3.13  混音器控件 204

5.3.14  定義有多個輸入的控件 204

5.4  DAPM概念 205

5.4.1  關於widget 205

5.4.2  定義widget 207

5.4.3  編解碼域定義 207

5.4.4  定義平臺域widget 208

5.4.5  定義音頻路徑域widget 209

5.4.6  定義音頻流域 211

5.4.7  路徑的概念—widget之間的連接器 213

5.4.8  路由的概念—widget互連 214

5.4.9  定義DAPM kcontrol 215

5.4.10  創建widget和路由 217

5.5  編解碼器組件註冊 222

5.6  編寫平臺類驅動程序 224

5.6.1  CPU DAI驅動程序 225

5.6.2  平臺DMA驅動程序 226

5.6.3  音頻DMA接口 227

5.6.4  PCM硬件配置 230

5.7  小結 233

第6章  ALSA SoC框架—深入瞭解機器類驅動程序 235

6.1  技術要求 235

6.2  機器類驅動程序介紹 236

6.2.1  機器類驅動程序的開發流程 236

6.2.2  DAI鏈接 237

6.2.3  獲取CPU和編解碼器節點 239

6.3  機器路由 241

6.3.1  編解碼器引腳 241

6.3.2  板卡接口 242

6.3.3  機器路由 243

6.3.4  設備樹路由 243

6.3.5  靜態路由 244

6.4  時鐘和格式註意事項 245

6.4.1  時鐘和格式設置輔助函數 245

6.4.2  格式 246

6.4.3  時鐘源 247

6.4.4  時鐘分頻器 247

6.4.5  時鐘和格式設置的典型實現 247

6.5  聲卡註冊 249

6.6  利用simple-card機器驅動程序 252

6.6.1  simple-audio機器驅動程序 252

6.6.2  無編解碼器聲卡 253

6.7  小結 254

第7章  V4L2和視頻採集設備驅動程序揭秘 255

7.1  技術要求 255

7.2  框架架構和主要數據結構 255

7.2.1  V4L2架構簡介 256

7.2.2  初始化和註冊V4L2設備 257

7.3  橋接視頻設備驅動程序 258

7.3.1  struct video_device結構體 259

7.3.2  初始化和註冊視頻設備 262

7.3.3  視頻設備文件操作 264

7.3.4  V4L2 ioctl處理 267

7.3.5  videobuf2接口和API 269

7.3.6  緩沖區的概念 269

7.3.7  平面的概念 271

7.3.8  隊列的概念 272

7.3.9  與特定驅動程序相關的流傳輸回調函數 274

7.3.10  初始化和釋放vb2隊列 277

7.4  關於子設備 278

7.4.1  子設備數據結構體 279

7.4.2  子設備初始化 282

7.4.3  子設備操作 284

7.4.4  核心操作結構 285

7.4.5  視頻操作結構 286

7.4.6  傳感器操作結構 287

7.4.7  調用子設備操作 288

7.4.8  子設備的註冊和註銷方式 289

7.5  V4L2控件基礎結構 290

7.5.1  標準控件對象 290

7.5.2  控件處理程序 292

7.5.3  攝像頭傳感器驅動程序示例 294

7.5.4  關於控件繼承 297

7.6  小結 297

第8章  集成V4L2異步和媒體控制器框架 299

8.1  技術要求 299

8.2  V4L2異步接口和圖綁定的概念 299

8.2.1  圖綁定 300

8.2.2  埠和端點表示 300

8.2.3  端點鏈接 301

8.2.4  V4L2異步和麵向圖的API 302

8.2.5  從設備樹API到通用fwnode圖API 302

8.2.6  V4L2固件節點API 309

8.2.7  V4L2 fwnode或媒體總線類型 311

8.2.8  BT656和並行總線 312

8.2.9  MIPI CSI-2總線 313

8.2.10  CPP2和MIPI CSI-1總線 314

8.2.11  總線猜測 315

8.2.12  V4L2異步模式 315

8.2.13  異步模式工作原理 318

8.2.14  異步橋接和子設備探測示例 321

8.3  Linux媒體控制器框架 325

8.3.1  媒體控制器抽象模型 325

8.3.2  V4L2設備抽象 327

8.3.3  媒體控制器數據結構 328

8.3.4  在驅動程序中集成媒體控制器支持 333

8.3.5  初始化並註冊接口和實體 334

8.3.6  媒體實體操作 335

8.3.7  媒體總線的概念 335

8.3.8  註冊媒體設備 340

8.3.9  來自用戶空間的媒體控制器 341

8.3.10  使用media-ctl 341

8.3.11  帶有OV2680的WaRP7示例 344

8.4  小結 351

第9章  從用戶空間利用V4L2 API 353

9.1  技術要求 353

9.2  從用戶空間看V4L2 353

9.2.1  V4L2用戶空間API 353

9.2.2  常用ioctl命令 354

9.2.3  在用戶空間中使用V4L2 API的示例 356

9.3  視頻設備打開和屬性管理 357

9.3.1  打開和關閉設備 357

9.3.2  查詢設備功能 357

9.4  緩沖區管理 359

9.4.1  圖像（緩沖區）格式 360

9.4.2  請求緩沖區 364

9.4.3  請求用戶指針緩沖區 364

9.4.4  請求內存可映射緩沖區 366

9.4.5  請求DMABUF緩沖區 367

9.4.6  請求讀/寫I/O內存 369

9.4.7  將緩沖區加入隊列並啟用流傳輸 369

9.4.8  主緩沖區的概念 370

9.4.9  將用戶指針緩沖區加入隊列 370

9.4.10  將內存可映射緩沖區加入隊列 371

9.4.11  將DMABUF緩沖區加入隊列 371

9.4.12  啟用流傳輸 372

9.4.13  將緩沖區移出隊列 373

9.4.14  將內存映射緩沖區移出隊列 373

9.4.15  將用戶指針緩沖區移出隊列 375

9.4.16  讀/寫I/O 376

9.5  V4L2用戶空間工具 376

9.5.1  關於v4l2-ctl 376

9.5.2  列出視頻設備及其功能 377

9.5.3  更改設備屬性 377

9.5.4  設置像素格式、分辨率和幀速率 379

9.5.5  採集幀和流傳輸 380

9.6  在用戶空間中調試V4L2 382

9.6.1  啟用框架調試 382

9.6.2  V4L2合規性驅動程序測試 384

9.7  小結 385

第10章  Linux內核電源管理 387

10.1  技術要求 387

10.2  基於Linux系統的電源管理概念 388

10.2.1  運行時電源管理 389

10.2.2  動態電源管理接口 389

10.3  主要電源管理框架詳解 389

10.3.1  CPU Idle框架 389

10.3.2  CPUFreq框架 392

10.3.3  Thermal框架 394

10.4  系統電源管理休眠狀態 395

10.4.1  掛起到空閑 395

10.4.2  通電待機 396

10.4.3  掛起到內存 396

10.4.4  掛起到磁盤 397

10.5  為設備驅動程序添加電源管理功能 399

10.5.1  設備和電源管理操作數據結構 399

10.5.2  實現運行時電源管理功能 401

10.5.3  驅動程序中的運行時電源管理 402

10.5.4  運行時電源管理的同步和異步操作 404

10.5.5  自動掛起 404

10.6  綜合應用 405

10.6.1  probe函數中的電源管理機制 405

10.6.2  讀取函數中的電源管理調用 407

10.6.3  卸載模塊時的電源管理方法 409

10.6.4  運行時電源管理回調函數執行的一般規則 410

10.6.5  電源域的概念 410

10.7  系統掛起和恢復順序 411

10.7.1  掛起階段 411

10.7.2  恢復階段 412

10.7.3  實現系統休眠功能 412

10.8  系統喚醒源 415

10.8.1  喚醒源的數據結構 415

10.8.2  使設備成為喚醒源 417

10.8.3  喚醒功能激活實例 418

10.8.4  IRQ處理程序 419

10.8.5  喚醒源和sysfs 421

10.8.6  關於IRQF_NO_SUSPEND標志 422

10.9  小結 422

第3篇  與其他Linux內核子系統保持同步

第11章  編寫PCI設備驅動程序 425

11.1  技術要求 425

11.2  PCI總線和接口介紹 426

11.2.1  術語 427

11.2.2  PCI總線枚舉、設備配置和尋址 428

11.2.3  設備識別 428

11.2.4  總線枚舉 428

11.3  PCI地址空間 432

11.3.1  PCI配置空間 432

11.3.2  PCI I/O地址空間 433

11.3.3  PCI內存地址空間 433

11.4  BAR的概念 433

11.5  中斷分配 434

11.5.1  PCI傳統INT-X中斷 434

11.5.2  基於消息的中斷類型 435

11.5.3  MSI機制 436

11.5.4  MSI-X機制 437

11.5.5  傳統INTx模擬 437

11.6  Linux Kernel PCI子系統 438

11.7  PCI數據結構 439

11.7.1  實例化PCI設備的結構體 439

11.7.2  用於識別PCI設備的結構體 441

11.7.3  實例化PCI設備驅動程序的結構體 443

11.7.4  註冊PCI驅動程序 444

11.8  PCI驅動程序結構體概述 445

11.8.1  啟用設備 445

11.8.2  總線控制能力 446

11.8.3  訪問配置寄存器 447

11.8.4  訪問內存映射I/O資源 448

11.8.5  訪問I/O埠資源 451

11.8.6  處理中斷 453

11.8.7  傳統INTx IRQ分配 455

11.8.8  模擬INTx IRQ調和 457

11.8.9  關於鎖定的註意事項 457

11.8.10  關於傳統API的簡要說明 457

11.9  PCI和直接內存訪問 458

11.9.1  關於DMA緩沖區 459

11.9.2  PCI一致DMA映射 460

11.9.3  流式DMA映射 462

11.9.4  單緩沖區映射 462

11.9.5  分散/聚集映射 464

11.10  小結 466

第12章  利用NVMEM框架 467

12.1  技術要求 467

12.2  NVMEM數據結構和API 468

12.2.1  NVMEM硬件抽象數據結構 468

12.2.2  NVMEM設備的運行時配置數據結構 468

12.2.3  NVMEM數據單元的數據結構 470

12.3  編寫NVMEM提供者驅動程序 472

12.3.1  NVMEM設備的註冊和註銷 472

12.3.2  實時時鐘設備中的NVMEM存儲器 473

12.3.3  DS1307實時時鐘驅動程序示例 474

12.3.4  實現NVMEM讀/寫回調函數 475

12.3.5  NVMEM提供者的設備樹綁定 476

12.4  NVMEM使用者驅動程序API 477

12.4.1  NVMEM使用者API 477

12.4.2  用戶空間中的NVMEM 478

12.5  小結 480

第13章  看門狗設備驅動程序 481

13.1  技術要求 481

13.2  看門狗數據結構和API 481

13.2.1  表示看門狗設備的結構體 482

13.2.2  表示看門狗信息的結構體 483

13.2.3  表示看門狗操作的結構體 485

13.2.4  註冊/註銷看門狗設備 486

13.2.5  處理預超時和調控器 488

13.2.6  基於GPIO的看門狗 489

13.3  看門狗用戶空間接口 491

13.3.1  啟動和停止看門狗 491

13.3.2  發送保持活動的ping 492

13.3.3  獲取看門狗的功能和ID 493

13.3.4  設置和獲取超時和預超時 493

13.3.5  獲取剩餘的時間 494

13.3.6  獲取（啟動/重啟）狀態 494

13.3.7  看門狗sysfs接口 496

13.3.8  處理預超時事件 497

13.4  小結 497

第14章  Linux內核調試技巧和最佳實踐 499

14.1  技術要求 499

14.2  瞭解Linux內核發布流程 499

14.3  Linux內核開發技巧 501

14.3.1  消息打印 502

14.3.2  內核日誌級別 502

14.3.3  內核日誌緩沖區 504

14.3.4  添加計時信息 505

14.4  Linux內核跟蹤和性能分析 506

14.4.1  使用Ftrace檢測代碼 506

14.4.2  可用的tracer 508

14.4.3  function tracer 509

14.4.4  function_graph tracer 510

14.4.5  函數過濾器 512

14.4.6  跟蹤事件 513

14.4.7  使用Ftrace接口跟蹤特定進程 515

14.5  Linux內核調試技巧 516

14.5.1  oops和恐慌分析 516

14.5.2  轉儲oops跟蹤消息 519

14.5.3  使用objdump識別內核模塊中的錯誤代碼行 520

14.6  小結 521