嵌入式Linux高级驱动教程

第1章 Linux基础知识 1

1．1 Linux历史介绍 1

1．2 Linux 常用命令 1

1．2．1 文件管理命令 1

1．2．2 磁盘相关命令（fdisk） 9

1．2．3 文档编辑命令 10

1．2．4 文件传输命令 11

1．2．5 磁盘维护命令 12

1．2．6 系统设置命令 12

1．2．7 备份压缩命令 13

1．3 Linux环境编程入门 14

1．3．1 GCC介绍 14

1．3．2 GNU Make 基本语法 15

1．3．3 Makefile 通用模块 20

1．4 Linux内核版本 21

1．5 Linux内核开发者社区 22

1．6 shell 编程入门 22

1．6．1 shell里的流程控制 26

1．6．2 Here Documents 31

1．6．3 shell里的函数 32

1．6．4 命令行参数 33

1．6．5 shell脚本示例 33

1．6．6 脚本调试 34

1．7 vim编辑器 35

1．7．1 模式 35

1．7．2 常用命令 36

1．7．3 配置文件 38

第2章　嵌入式Linux驱动开发环境搭建 40

2．1 引言 40

2．2 交叉编译器 42

2．2．1 交叉编译器概念 42

2．2．2 交叉编译器获取 42

2．2．3 交叉编译器安装 42

2．2．4 交叉编译器使用 43

2．3 嵌入式开发串口终端 44

2．3．1 串口终端用途介绍 44

2．3．2 Windows下超级终端介绍 45

2．3．3 Linux下Minicom 串口终端介绍 46

2．4 嵌入式开发相关下载工具 50

2．4．1 Windows下TFTP下载软件 50

2．4．2 Linux下TFTP服务 50

2．4．3 Linux 下NFS服务器 51

2．5 启动加载程序的使用和移植 52

2．5．1 u-boot常用命令 52

2．5．2 u-boot常用环境变量介绍 53

2．5．3 u-boot移植到mini2440方法 53

2．6 为mini2440编译内核 56

2．7 根文件系统制作 56

2．7．1 根文件系统的作用 56

2．7．2 根文件系统的制作步骤 57

2．8 J-Link仿真器使用 59

2．8．1 J-Link功能简介 59

2．8．2 J-Link功能配置及使用范例 60

第3章　Linux设备驱动简介 63

3．1 Linux设备驱动概述 63

3．2 Linux内核结构 63

3．2．1 Linux内核空间划分 63

3．2．2 Linux用户空间 64

3．2．3 Linux内核空间 64

3．2．4 用户态和内核态 64

3．2．5 进程上下文和中断上下文 64

3．3 Linux设备驱动特点 65

3．3．1 设备分类 65

3．3．2 设备号 65

3．3．3 模块和设备驱动关系 66

3．4 内核模块的主要相关命令 66

3．5 内核驱动信息打印―printk 67

第4章　Linux内核模块编程 71

4．1 认识Linux模块 71

4．1．1 一个最简单的Linux内核模块 71

4．1．2 Linux内核模块程序结构 74

4．1．3 helloworld．c模块Makefile 文件编写 76

4．1．4 helloworld模块编译 76

4．2 模块编程形式2：多模块――模块间有依赖关系 76

4．2．1 模块符号导出 76

4．2．2 多模块C代码编程示例 77

4．2．3 多模块Makefile编译编程示例 78

4．2．4 编译和测试模块 78

4．2．5 多模块编程总结 79

4．3 模块编程形式3：模块传递参数 79

4．3．1 模块传递参数关键宏定义 79

4．3．2 module_param () 介绍 79

4．3．3 模块传递参数示例C代码 81

4．3．4 模块传递参数示例Makefile 82

4．3．5 编译和测试模块传递参数功能 82

4．3．6 模块传递参数功能总结 83

4．4 模块编程形式4：多个C文件编译为一个模块 84

4．4．1 多个C文件模块示例C代码 84

4．4．2 多个C文件模块示例Makefile代码 85

4．4．3 编译和测试模块 85

4．4．4 多个C文件模块编程总结 86

第5章　字符设备驱动开发 87

5．1 Linux设备驱动特点 87

5．1．1 Linux系统3大类设备特点 87

5．1．2 Linux内核框架 88

5．1．3 字符设备的几种编程模型 89

5．2 字符设备相关重要结构 89

5．2．1 struct file_operaions结构 89

5．2．2 struct inode结构 92

5．2．3 struct file结构 96

5．3 杂项设备驱动模板 97

5．3．1 杂项设备注册和注销 98

5．3．2 杂项设备驱动测试 99

5．3．3 杂项设备驱动模型示例 101

5．4 早期标准字符设备驱动模板 105

5．4．1 早期标准字符设备驱动注册和注销 105

5．4．2 早期标准字符设备驱动模型示例 106

5．4．3 早期标准字符设备驱动模型测试 109

5．5 Linux 2．6标准字符设备驱动模型 112

5．5．1 Linux 2．6标准字符设备驱动核心结构：struct cdev 112

5．5．2 Linux 2．6标准字符设备驱动设备号 112

5．5．3 Linux 2．6标准字符设备驱动相关API函数 113

5．5．4 Linux 2．6标准字符设备驱动编写流程 115

5．5．5 Linux 2．6标准字符设备驱动模型示例 115

5．5．6 Linux 2．6标准字符设备驱动程序测试 120

5．6 字符设备驱动模型小结 122

5．7 早期字符设备驱动自动生成设备节点文件 123

5．7．1 mdev的介绍及使用方法 123

5．7．2 相关数据结构、函数介绍 124

5．7．3 自动创建设备文件范例 126

5．7．4 自动创建设备文件小结 133

第6章　字符设备LED驱动 135

6．1 LED硬件原理图 135

6．2 LED点灯原理分析 135

6．3 字符设备驱动open接口 136

6．3．1 open接口参数 136

6．3．2 open 接口函数框架 136

6．4 release接口函数 137

6．4．1 release 接口函数的作用 137

6．4．2 release接口函数框架 137

6．5 字符设备驱动write接口 137

6．5．1 write接口参数说明 137

6．5．2 与write接口代码相关的常用API 138

6．5．3 write 接口函数框架 138

6．6 字符设备驱动read接口 139

6．6．1 read接口参数 139

6．6．2 与read接口代码相关的常用API 139

6．6．3 read 接口函数框架 139

6．7 llseek接口实现 140

6．7．1 llseek接口参数 140

6．7．2 llsek接口函数框架 140

6．7．3 重写能与llseek配套的write函数框架 141

6．7．4 重写能与llseek配套的read函数框架 142

6．8 LED驱动程序示例 143

6．8．1 LED驱动程序要使用到的核心函数 143

6．8．2 LED驱动程序示例 143

6．9 ioctl控制接口 154

6．9．1 用户空间ioctl系统调用 154

6．9．2 内核空间驱动ioctl的方法 154

6．9．3 ioctl接口函数框架示例 156

6．9．4 LED驱动添加标准ioctl接口控制LED的范例 158

第7章 内核同步机制 172

7．1 引言 172

7．2 原子操作 172

7．2．1 原子操作概念 172

7．2．2 原子操作相关API 173

7．2．3 简单原子操作使用例子 176

7．3 信号量 181

7．3．1 信号量概念 181

7．3．2 信号量相关API 181

7．3．3 简单信号量使用例子 183

7．4 读写信号量（rw_semaphore） 188

7．4．1 读写信号量概念 188

7．4．2 读写信号量相关API 189

7．5 自旋锁 191

7．5．1 自旋锁概念 192

7．5．2 自旋锁相关API 192

7．5．3 自旋锁使用方法小结 197

第8章 LED驱动完善―添加同步机制代码 199

8．1 信号量实现LED设备独占 199

8．1．1 添加互斥量代码实现独占功能示例 199

8．1．2 应用程序测试信号量独占功能 205

8．2 原子操作实现LED设备独占 206

8．2．1 原子操作代码实现独占功能示例 206

8．2．2 测试应用程序：原子操作独占功能 213

8．3 自旋锁实现LED设备并发控制 214

8．3．1 SMP并发分析 214

8．3．2 自旋锁代码实现设备并发控制功能示例 215

8．3．3 应用程序测试自旋锁并发控制功能 221

8．4 等待队列 222

8．4．1 为什么要使用等待队列 222

8．4．2 等待队列头数据结构 222

8．4．3 等待队列的睡眠过程 222

8．4．4 等待队列的唤醒过程 225

8．4．5 等待队列API 227

8．5 各种同步机制的比较 231

第9章 Linux中断驱动程序 232

9．1 什么是中断 232

9．2 Linux 2．6 中断处理原理 232

9．3 Linux中断处理程序架构 235

9．3．1 底半部实现方法之一：tasklet 235

9．3．2 底半部实现方法之二：工作队列 239

9．4 Linux 2．6 中断API 244

9．4．1 注册中断 244

9．4．2 注销中断 245

9．4．3 禁止中断 246

9．4．4 使能中断 246

9．4．5 共享中断 247

9．5 按键设备驱动程序 247

9．5．1 开发板按键硬件原理图 247

9．5．2 软件设计程序分析 247

9．5．3 按键驱动程序代码示例 248

9．5．4 按键驱动应用程序测试结果 258

9．6 非阻塞I/O和阻塞I/O 261

9．6．1 概念 261

9．6．2 如何在设备驱动实现阻塞功能 261

9．6．3 驱动阻塞和非阻塞模板 262

9．7 按键驱动程序完善：新增加poll接口 263

9．7．1 键驱动程序poll接口示例代码清单 263

9．7．2 poll接口应用程序编写 273

9．7．3 测试结果及分析 276

第10章 内核工作队列 281

10．1 内核工作队列概述 281

10．2 Linux workqueue工作原理 281

10．2．1 数据结构work_struct 282

10．2．2 数据结构workqueue_struct 282

10．2．3 数据结构cpu_workqueue_struct 283

10．2．4 workqueue原理分析 283

10．3 Linux内核共享工作队列 284

10．3．1 共享工作队列介绍 284

10．3．2 内核共享工作队列API 284

10．3．3 内核共享工作队列使用步骤 285

10．3．4 内核共享工作队列示例 286

10．3．5 内核共享工作队列测试及结果分析 287

10．4 自定义内核工作队列 288

10．4．1 创建工作队列 288

10．4．2 调度工作队列 288

10．4．3 销毁工作队列 289

10．4．4 自定义工作队列示例 289

10．4．5 自定义工作队列测试及结果分析 292

10．5 延时工作队列 292

10．5．1 延时工作队列介绍 292

10．5．2 延时工作队列数据结构和核心API 293

10．5．3 延时工作队列示例 294

10．5．4 延时工作队列测试及结果分析 296

10．6 内核微线程tasklet 296

10．6．1 内核微线程简介 296

10．6．2 tasklet的创建及enable/disable函数 297

10．6．3 tasklet调度函数 298

10．6．4 微线程kill函数 299

10．6．5 tasklet微线程的编程步骤 300

10．6．6 tasklet的简单示例 301

10．6．7 微线程的简单示例测试及结果分析 302

10．7 按键设备驱动程序改进――使用延时工作队列实现消抖 303

10．7．1 按键抖动机械特性分析 303

10．7．2 软件设备框架分析 304

10．7．3 增加延时工作队列机制的按键驱动代码示例 304

10．7．4 添加延时工作队列机制的按键驱动程序测试及结果分析 315

第11章 内核定时器 317

11．1 内核定时器概述 317

11．2 相关数据结构 317

11．3 内核定时器函数 318

11．3．1 静态定义并初始化定时器API 318

11．3．2 定时器初始化 318

11．3．3 向内核添加定时器 319

11．3．4 定时器时间修改 319

11．3．5 定时器取消 320

11．3．6 定时情况查询 320

11．4 定时器编程步骤 320

11．5 内核定时器编程简单示例 321

11．5．1 内核定时器示例代码 321

11．5．2 内核定时示例代码测试结果分析 322

11．6 按键设备驱动程序改进―使用内核定时器实现消抖 323

11．6．1 修改按键驱动代码 323

11．6．2 改进版本的按键驱动程序测试及结果分析 335

第12章 平台设备驱动模型 337

12．1 平台设备和驱动初识 337

12．1．1 总线驱动模型简介 337

12．1．2 平台总线驱动模型特点 337

12．2 平台设备驱动模型分层 337

12．2．1 platform 设备层编程 337

12．2．2 设备层核心数据结构 338

12．2．3 platform 设备层API 339

12．2．4 platform驱动层编程 340

12．2．5 平台驱动层核心数据结构 341

12．2．6 platform 驱动层核心API 342

12．3 基于平台模型的LED设备驱动 343

12．3．1 平台模型LED驱动软件框架分析 343

12．3．2 平台模型LED驱动层编程 344

12．3．3 平台模型设备层编程 346

12．3．4 平台模型LED驱动测试结果分析 353

第13章 LCD设备驱动 355

13．1 FrameBuffer 的原理 355

13．2 FrameBuffer在Linux中的实现和机制 355

13．3 内核自带s3c2440 LCD驱动移植 356

13．3．1 LCD硬件资源分析 356

13．3．2 LCD工作时序参数分析 357

13．3．3 驱动探测函数简要分析 360

13．3．4 LCD驱动平台数据结构 360

13．3．5 LCD驱动平台资源分析 363

13．3．6 LCD设备驱动设备层编程 364

13．4 LCD设备驱动分析 365

13．4．1 LCD设备驱动核心结构struct fb_info 366

13．4．2 LCD设备驱动可变参数结构struct fb_var_screeninfo 367

13．4．3 LCD设备驱动固定参数结构struct fb_fix_screeninfo 368

13．4．4 LCD设备驱动硬件操作方法结构struct fb_ops 369

13．4．5 LCD设备驱动probe函数分析 371

13．4．6 LCD设备驱动remove函数分析 384

13．4．7 LCD设备驱动suspend函数分析 385

13．4．8 LCD设备驱动resume函数分析 385

13．4．9 LCD硬件操作函数结构struct fb_ops *fbop分析 386

13．5 LCD应用程序编程示例 391

13．5．1 LCD显示汉字示例代码 391

13．5．2 LCD显示BMP图片示例代码 399

第14章 Linux下clock子系统 407

14．1 clk时钟管理概念 407

14．2 核心数据结构struct clk 407

14．3 clocks链表 408

14．4 clk平台通用操作 408

14．5 clk与pm（电源管理） 409

14．6 clk时钟系统实现原理 409

14．7 clk时钟系统的应用 409

第15章 Linux输入子系统 413

15．1 输入子系统概述 413

15．2 输入子系统的结构 413

15．3 Linux中输入设备驱动的分层 414

15．4 关键结构体 414

15．5 软件设计流程 418

15．6 常用相关API 418

15．7 使用输入子系统的例子 420

15．8 小结 424

第16章 Linux触摸屏驱动 425

16．1 电阻式触摸屏工作原理 425

16．2 s3c2440中的触摸屏接口 425

16．3 mini2440的触摸屏驱动 426

16．3．1 初始化 431

16．3．2 中断处理 433

16．3．3 测试与校准 434

16．4 触摸屏驱动总结 436

第17章 网络设备驱动 437

17．1 网络设备概述 437

17．2 DM9000芯片工作原理介绍 438

17．2．1 DM9000功能介绍 438

17．2．2 DM9000结构框图 438

17．3 DM9000的引脚 438

17．4 DM9000的寄存器 442

17．5 DM9000内部寄存器访问方式 452

17．6 DM9000 编程操作步骤 453

17．7 mini2440 开发板DM9000硬件连接图分析 454

17．8 DM9000 Linux驱动移植 456

17．8．1 DM9000设备模型分析 456

17．8．2 DM9000探测函数简要分析 456

17．8．3 DM9000 平台的资源分析 457

17．8．4 DM9000平台的数据分析 458

17．8．5 移植DM9000平台设备层代码的编写 460

17．9 DM9000 Linux驱动源码分析 461

17．9．1 数据结构 struct net_device 461

17．9．2 数据结构struct net_device_ops 462

17．9．3 数据结构 struct sk_buff 463

17．9．4 私有数据结构 struct board_info 465

17．9．5 DM9000使用到的核心API 466

17．10 DM9000驱动模块入口函数分析 476

17．11 DM9000探测函数代码分析 477

17．12 DM9000网卡硬件操作函数struct net_device_ops重要成员分析 486

17．12．1 网络设备打开函数ndo_open接口 486

17．12．2 网络设备关闭函数ndo_stop接口 490

17．12．3 网络设备发送函数ndo_start_xmit接口 491

17．12．4 网络设备超时处理函数ndo_tx_timeout接口 498

17．13 接收过程详细分析 499

17．13．1 DM9000接收中断代码分析 499

17．13．2 DM9000读数据包及提交数据包到上层函数分析 500

第18章 Linux I2C子系统 507

18．1 IIC总线知识 507

18．2 IIC子系统体系结构 510

18．3 IIC相关的重要数据结构 510

18．4 IIC核心层 513

18．5 i2c_add_driver分析 515

18．6 IIC设备驱动示例 518

18．6．1 设备驱动程序 518

18．6．2 应用程序编程 522

18．7 IIC总线驱动分析 524

18．7．1 适配器驱动 524

18．7．2 适配器平台资源 531

18．8 IIC子系统总结 531

第19章 Linux SPI子系统 532

19．1 SPI子系统概述 532

19．2 SPI子系统框图详解 532

19．3 SPI相关的数据结构 533

19．4 SPI核心代码的初始化分析 535

19．5 SPI设备文件自动产生代码的分析 536

19．6 SPI子系统核心API 537

19．7 SPI设备驱动范例 539

19．7．1 SPI设备驱动程序编程 539

19．7．2 SPI应用程序编程 544

19．8 SPI总线驱动分析 546

19．9 SPI子系统总结 549

第20章 单总线协议―DS18B20温度传感器驱动 550

20．1 DS18B20介绍 550

20．2 DS18B20的特点 550

20．3 DS18B20的内部结构 550

20．4 DS18B20指令码 553

20．5 DS18B20时序 554

20．5．1 复位时序 554

20．5．2 写时序 555

20．5．3 读时序 555

20．6 DS18B20操作流程 556

20．7 DS18B20与单片机的典型接口设计 556

20．8 DS18B20的精确延时问题 557

20．9 基于MS51单片机的裸机DS18B20 驱动程序 557

20．10 Linux 系统下的DS18B20温度传感器驱动 561

20．10．1 内核自带DS18B20温度传感器驱动简要说明 562

20．10．2 通过内核配置菜单配置DS18B20驱动 562

20．10．3 注册DS18B20驱动的设备层 563

第21章 Linux MTD子系统 567

21．1 Linux MTD子系统介绍 567

21．2 MTD子系统相关核心结构 569

21．3 Nand Flash硬件操作介绍 572

21．3．1 Nand Flash工作原理 572

21．3．2 Nand Flash 数据存储单元的整体架构 573

21．3．3 Nand Flash 引脚（Pin）说明 573

21．3．4 Nand Flash寻址方式 573

21．3．5 Nand Flash读操作流程 574

21．3．6 Nand Flash 写操作流程 574

21．3．7 Nand Flash主要内设命令详细介绍 575

21．3．8 Nand Flash 控制器中特殊功能寄存器介绍 576

21．4 Nand Flash驱动实例 577

21．4．1 Nand Flash驱动框架编写 577

21．4．2 Nand Flash底层操作程序 584

21．4．3 Nand Flash分区的配置 585

21．4．4 Nand Flash驱动挂接测试 585

21．5 基于MTD 子系统的设备驱动编程总结 586

参考文献 587

本书涉及嵌入式Linux系统设备驱动开发的各个环节。全书共21章，内容包括：Linux系统基本操作，嵌入式Linux开发环境的搭建，Linux设备驱动的概念，Linux内核模块编程，字符设备驱动（含LED驱动）的开发及完善，内核同步机制，中断驱动，内核工作队列，内核定时器，平台设备、LCD设备、Linux触摸屏和温度传感器的驱动，以及Linux内核各子系统（clock子系统、输入子系统、IIC子系统、SPI子系统和MTD子系统）的介绍。本书由深圳信盈达嵌入式学院的嵌入式开发工程师编写，并配备了相关的实验和完整的驱动程序代码及测试应用程序代码。