嵌入式 Linux 驅動開發實踐

人們日常生活中打交道最多的就是嵌入式系統，目前廣泛使用的手機、MP3播放器、智能家用電器、無人機、自動駕駛汽車、機器人等都用到了嵌入式系統，嵌入式系統的開發占整個電腦系統開發的比重也越來越大。本書詳細講解嵌入式Linux驅動開發和設備端系統構建，並配套全書實例源代碼和作者QQ答疑服務。 《嵌入式Linux驅動開發實踐》共分12章，內容包括嵌入式系統概述、搭建Linux安全開發環境、必會的嵌入式開發應用層技術、內核模塊開發、字符設備驅動、驅動模塊的並發控制、塊設備驅動、Linux平臺驅動、基於AArch64的內核和文件系統、設備樹、I2C驅動實戰、SPI驅動實戰。 《嵌入式Linux驅動開發實踐》適合作為嵌入式Linux驅動開發初學者的入門書，以及嵌入式Linux開發人員的參考書，也適合作為高等院校電子、通信、自動化、電腦等專業“嵌入式操作系統”課程的教材和教學參考書。

目    錄

第 1 章  嵌入式系統概述 1

1.1  嵌入式系統 1

1.2  Linux操作系統 2

1.3  Linux作為嵌入式操作系統的優勢 2

1.4  嵌入式系統的開發流程 4

1.5  嵌入式Linux系統的體系結構 5

1.5.1  嵌入式處理器 5

1.5.2  嵌入式外圍硬件設備 5

1.5.3  嵌入式操作系統 6

1.5.4  設備驅動 6

1.5.5  嵌入式應用軟件 6

1.6  嵌入式Linux系統的設計與實現 6

1.7  Linux操作系統內核 7

1.7.1  Linux內核的組成 7

1.7.2  Linux內核各部分的工作機制 8

1.8  Linux設備驅動程序 12

1.8.1  Linux設備驅動概述 12

1.8.2  設備驅動的功能 13

1.8.3  設備的分類 13

1.8.4  驅動的分類 14

1.8.5  設備驅動與內核的關系 16

1.8.6  設備驅動的結構 17

1.8.7  設備驅動的設計和實現步驟 19

第 2 章  搭建Linux驅動開發環境 22

2.1  準備虛擬機環境 22

2.1.1  在VMware下安裝Linux 22

2.1.2  開啟登錄時的root賬號 25

2.1.3  關閉內核自動更新 27

2.1.4  解決Ubuntu上的vi方向鍵問題 27

2.1.5  關閉防火牆 27

2.1.6  配置安裝源 28

2.1.7  安裝網絡工具包 28

2.1.8  安裝基本開發工具 29

2.1.9  啟用SSH 29

2.1.10  做個快照 30

2.1.11  連接虛擬機Linux 31

2.1.12  和虛擬機互傳文件 42

2.2  安裝編譯工具 42

2.3  使用VS Code開發內核驅動程序 43

2.4  使用Visual C++ 2017開發應用程序 48

第 3 章  嵌入式開發必會應用層技術 51

3.1  Linux啟動過程 51

3.2  圖形模式與命令模式的切換方式 53

3.3  在文件中搜索 53

3.4  Linux關機和重啟 54

3.5  開機自啟動 55

3.6  查看Ubuntu的內核版本 56

3.7  查看Ubuntu操作系統的版本 57

3.8  配置文件的區別 57

3.9  讓/etc/profile文件修改後立即生效 58

3.10  測試Web服務器的性能 59

3.10.1  架設Web服務器Apache 59

3.10.2  在Windows下測試Web服務器的性能 60

3.10.3  在Linux下測試Web服務器的性能 61

3.11  Linux中的文件權限 66

3.12  環境變量的獲取和設置 66

3.13  解析命令行參數函數 69

第 4 章  內核模塊開發 70

4.1  Linux內核概述 70

4.2  內核模塊簡介 71

4.2.1  何為內核模塊 71

4.2.2  增加內核功能的兩種方法 72

4.2.3  使用模塊的優缺點 72

4.2.4  常用的模塊操作命令 72

4.2.5  Linux內核程序結構 73

第 5 章  字符設備驅動 76

5.1  Linux設備框架 76

5.2  字符設備的概念 77

5.3  字符設備驅動 80

5.3.1  file_operations結構體 80

5.3.2  字符設備驅動開發步驟 82

5.3.3  設備號的分配 85

5.4  驅動開發的常用函數 86

5.4.1  copy_from_user函數 86

5.4.2  copy_to_user函數 87

5.4.3  printk函數 88

5.4.4  register_chrdev函數 89

5.4.5  register_chrdev_region函數 91

5.4.6  alloc_chrdev_region函數 91

5.4.7  cdev_init函數 91

5.4.8  cdev_alloc函數 92

5.4.9  cdev_add函數 93

5.4.10  cdev_del函數 95

5.4.11  宏class_create 95

5.4.12  device_create函數 96

5.4.13  device_del函數 96

5.4.14  unregister_chrdev函數 97

5.4.15  實戰字符設備驅動 97

5.5  字符設備的ioctl接口 106

5.5.1  什麽是ioctl接口 106

5.5.2  為什麽要引入ioctl接口 106

5.5.3  ioctl如何使用 106

5.5.4  定義命令 107

5.5.5  ioctl的基本應用 109

5.5.6  ioctl處理結構體 112

5.6  Linux虛擬驅動框架設計 114

5.7  虛擬LED驅動的實現 116

第 6 章  驅動模塊的並發控制 122

6.1  嵌入式Linux系統的空間組成 122

6.1.1  操作系統內核 122

6.1.2  操作系統的空間組成及模式 123

6.1.3  用戶空間訪問內核空間及模式切換 123

6.2  進程的基本概念 124

6.2.1  進程和線程的定義 124

6.2.2  進程的類型 125

6.2.3  進程的內存結構 125

6.2.4  多任務機制 126

6.2.5  進程與程序 126

6.2.6  進程標識符 127

6.2.7  線程標識符 129

6.2.8  線程組及其標識符TGID 129

6.2.9  進程描述符 131

6.2.10  會話、進程組以及控制終端 138

6.3  PID的管理 139

6.3.1  PID散列表 140

6.3.2  PID命名空間 140

6.3.3  局部ID和全局ID 142

6.3.4  進程PID結構 143

6.3.5  pid_link哈希表存儲 143

6.4  進程切換分析 145

6.4.1  進程的模式和分類 145

6.4.2  進程的5種基本狀態 146

6.4.3  進程的切換過程分析 147

6.5  內核進程和線程管理編程 148

6.5.1  獲得進程PID結構體 148

6.5.2  從命名空間下的PID找到對應的PID結構體 149

6.5.3  獲取進程的進程號 150

6.5.4  改變PID結構體的count字段 151

6.5.5  獲取進程描述符信息 152

6.5.6  釋放進程所占用的Cache空間 153

6.5.7  喚醒進程 154

6.5.8  創建一個新的內核線程 156

6.5.9  終止指定進程 158

6.5.10  結束當前正在執行的進程 159

6.6  並發控制的基本概念 160

6.6.1  什麽是並發 160

6.6.2  臨界資源與臨界區 160

6.6.3  原子操作 160

6.6.4  並發控制的內容 161

6.6.5  為何要並發控制 161

6.7  設備驅動的並發控制機制 162

6.7.1  並發控制的基礎操作 162

6.7.2  自旋鎖 164

6.7.3  信號量 165

6.7.4  其他的並發控制機制 166

6.7.5  驅動並發控制的設計方法 167

6.8  內核同步編程 170

6.8.1  設置原子類型的變量並讀取 170

6.8.2  遞增遞減原子變量值 171

6.8.3  初始化信號量 172

6.8.4  獲取信號量並減1（不可中斷） 173

6.8.5  獲取信號量並減1（可中斷） 174

6.8.6  在指定的時間內獲取信號量 175

6.8.7  釋放信號量 176

第 7 章  塊設備驅動 178

7.1  塊設備的概念 178

7.1.1  什麽是塊設備 178

7.1.2  常用的塊設備 178

7.1.3  塊設備和字符設備的區別 179

7.1.4  塊設備相關的幾個單位 180

7.1.5  塊設備的訪問 181

7.2  塊設備驅動程序的概念 182

7.2.1  什麽是塊設備驅動程序 182

7.2.2  為什麽需要瞭解塊設備驅動 182

7.2.3  塊設備驅動的組成部分 183

7.2.4  塊設備驅動框架 184

7.3  塊設備驅動的關鍵數據結構 187

7.3.1  通用硬盤結構gendisk 187

7.3.2  塊設備對象結構block_device 188

7.3.3  bio結構 189

7.3.4  請求隊列request_queue結構 189

7.3.5  請求結構request 190

7.3.6  磁盤操作結構block_device_operations 191

7.4  塊設備驅動中的I/O請求處理函數 192

7.4.1  使用請求隊列處理I/O請求 192

7.4.2  不使用請求隊列處理I/O請求 192

7.5  塊設備驅動編寫的步驟 193

7.6  重要函數 193

7.6.1  註冊 193

7.6.2  塊設備操作 194

7.7  實戰案例：用RAM模擬一個塊設備 195

第 8 章  Linux平臺驅動 203

8.1  平臺設備驅動模型 203

8.1.1  驅動的分隔與分離 203

8.1.2  驅動的分層 205

8.1.3  基本概念 205

8.1.4  什麽是platform總線 206

8.2  platform驅動 209

8.2.1  platform_driver結構體 209

8.2.2  platform主要函數 211

8.2.3  platform驅動框架 212

8.2.4  platform_device的註冊過程 214

8.3  platform設備 215

8.4  實現platform驅動 218

第 9 章  基於AArch64的內核和文件系統 229

9.1  認識QEMU 230

9.1.1  QEMU是什麽 230

9.1.2  QEMU的兩種執行模式 231

9.1.3  QEMU的用途 231

9.1.4  使用QEMU虛擬機的幾種選擇 231

9.2  不編譯運行AArch64程序 232

9.2.1  準備一個現成的AArch64程序 233

9.2.2  安裝Linux版的QEMU 233

9.2.3  下載交叉編譯器 238

9.2.4  讓AArch64程序運行起來 238

9.3  編譯運行AArch64程序 240

9.4  製作簡易文件系統 244

9.4.1  BusyBox簡介 245

9.4.2  編譯/安裝BusyBox 246

9.4.3  製作根文件系統的映像文件 249

9.5  非嵌入式方式啟動內核 250

9.5.1  BusyBox啟動過程簡要分析 254

9.5.2  在新內核系統中運行C程序 256

9.6  基本功能的完善 257

9.6.1  掛載proc支持ifconfig 257

9.6.2  掛載sysfs支持lspci 259

9.6.3  實現文件系統可寫 264

9.7  QEMU用戶網絡模式 265

9.7.1  不使用-net選項 265

9.7.2  使用-net選項 269

9.8  QEMU橋接網絡模式 270

9.8.1  網橋的概念 270

9.8.2  TUN/TAP的工作原理 270

9.8.3  帶TAP的QEMU系統架構 272

9.8.4  brctl的簡單用法 273

9.8.5  三個網絡配置選項 275

9.8.6  實戰橋接模式網絡 277

9.8.7  手工命令創建TAP網卡 282

9.8.8  使用qemu-ifup 284

9.9  QEMU運行國產操作系統 285

9.9.1  安裝Windows版的QEMU 286

9.9.2  UEFI固件下載 286

9.9.3  安裝麒麟操作系統 287

9.9.4  運行麒麟系統 289

第 10 章  設備樹 291

10.1  設備樹的概念 291

10.1.1  什麽是設備樹 291

10.1.2  設備樹的起源 292

10.1.3  Linux內核對硬件的描述方式 294

10.1.4  設備樹和內核的關系 295

10.2  DTS文件和DTSI文件 295

10.3  DTB文件和DTC文件 296

10.4  設備樹框架 297

10.4.1  佈局與節點 298

10.4.2  節點名 299

10.4.3  引用 300

10.4.4  cpus節點 301

10.5  屬性 302

10.5.1  兼容性屬性 303

10.5.2  model屬性 305

10.5.3  status屬性 305

10.5.4  #address-cells和#size-cells 305

10.5.5  reg屬性 306

10.5.6  ranges屬性 307

10.5.7  name屬性 308

10.5.8  device_type屬性 308

10.5.9  address屬性 308

10.5.10  interrupts屬性 309

10.6  設備樹操作常用API 311

10.6.1  device_node 311

10.6.2  查找節點API 312

10.6.3  提取通用屬性API 312

10.6.4  提取addr屬性API 313

10.6.5  提取resource屬性API 314

10.6.6  提取GPIO屬性API 315

10.6.7  提取irq屬性API 315

10.6.8  從設備樹中提取MAC地址 315

10.7  編寫設備樹並編譯 315

第 11 章  I2C驅動實戰 317

11.1  I2C的基本概念 317

11.1.1  總線的定義 317

11.1.2  什麽是I2C 318

11.1.3  I2C總線 318

11.1.4  I2C總線規範 318

11.1.5  I2C總線的特點 319

11.2  I2C驅動實戰 320

第 12 章  SPI驅動實戰 334

12.1  SPI概述 334

12.1.1  什麽是SPI 334

12.1.2  SPI工作模式 337

12.1.3  SPI傳輸機制 338

12.1.4  I2C和SPI的對比 340

12.2  SPI驅動軟件架構 340

12.2.1  SPI通用設備驅動程序 341

12.2.2  SPI控制器驅動程序 342

12.2.3  SPI協議驅動程序 342

12.2.4  隊列化 343

12.3  SPI虛擬驅動實戰 343