Linux Device Drivers(2rd Edition) 中文非影印版.pdf

发布时间：2022-06-07 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.18M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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Linux 设备驱动程序（第二版） ii

内容提要本书面向的读者，是那些想在 Linux 操作系统下支持各种计算机外设，或者想开发新的硬件并在 Linux 下运行的人们。Linux 是 Unix 市场中增长最为快速的部分，并且在许多应用领域获得了广泛而热情的支持。现在，人们越来越清楚地认识到 Linux 是嵌入式系统的一个极好平台。《Linux 设备驱动程序》已经成为该领域的一流著作，此书将以往那些口述式的经验和知识，或者隐晦的源代码注释变成了系统地讲述各种设备驱动程序编写方法的著作。 Linux 内核的 2.4 版在设备驱动程序方面发生了重大变化，它简化了许多工作，但同时提供了许多新的功能，可让驱动程序更加有效而且灵活。本书第二版彻底讲述了这些变化，并介绍了许多新的处理器和总线结构。要阅读此书，并不要求读者成为一名内核黑客；我们仅仅希望读者理解 C 语言并熟悉 Unix 系统调用。我们循序渐进地讲述了字符设备、块设备和网络设备的驱动程序，并且给出了功能完善的示例驱动程序。这些示例驱动程序说明了驱动程序设计中的许多问题以及解决方法，并且不需要任何特定的硬件就可以运行。本书第二版的重要修订包括：对对称多处理器（SMP）系统和锁机制的讨论、对新 CPU 的支持以及新近支持的总线的讨论等等。如果读者对操作系统完成其任务的方式感兴趣，本书则提供了对地址空间、异步事件和 I/O 的深入讨论。可移植性是本书的一个主要关注点。尽管本书主要讲述 2.4 版本，但只要可能，我们也会讲述向后直到 2.0 版本的相关内容。《Linux 设备驱动程序》也讲述了如何在各种硬件平台上实现最大的可移植性；示例驱动程序已经在 IA32（PC）和 IA64、PowerPC、SPARC 和 SPARC64、Alpha、 ARM 以及 MIPS 等平台上经过了测试。 iii

作者简介 Alessandro Rubini 在他获得电子工程师职称后不久，就安装了 Linux 0.99.14 版本。后来，他在 Pavia 大学获得了计算机科学博士学位。但很快他就离开了大学，因为他实在不想写很多的论文。现在，他是一名自由撰稿人，编写和设备驱动程序相关的文章和论文（很有讽刺意味）。在他的小孩出世之前，他曾是一名年轻的黑客；而现在则是一名年老的、偏爱非 PC 计算机平台开发的自由软件鼓吹者。 Jonathan Corbet 早在 1981 年就接触了 BSD Unix 的源代码。那时，科罗拉多大学的一名教员让他“修正”其中的分页算法。从那时起直到现在，他深入研究了他所遇到的每一个系统，其中包括 VAX、Sun、Ardent 以及 x86 系统的驱动程序。他在 1993 年第一次接触 Linux 系统，从此以后一直从事 Linux 的开发。Corbet 先生是 Linux Weekly News (http://LWN.net) 的奠基人和执行主编；他和妻子及两个孩子生活在科罗拉多州巨石市。 iv

目录目录前言 ....................................................... i Alessandro 的介绍 ............................................................................................................i Jon 的介绍........................................................................................................................ii 本书面向的读者 ...............................................................................................................ii 内容的组织 ......................................................................................................................iii 背景信息 ..........................................................................................................................iii 其它信息来源 ..................................................................................................................iv 在线版本和条款 ...............................................................................................................v 本书使用的约定 ...............................................................................................................v 我们希望得到来自读者的反馈 ......................................................................................vi 致谢 ..................................................................................................................................vi 第 1 章设备驱动程序简介 .................................... 1 1.1 设备驱动程序的作用 ..............................................................................................2 1.2 内核功能划分 ..........................................................................................................3 进程管理...................................................................................................................................................... 3 内存管理...................................................................................................................................................... 4 文件系统...................................................................................................................................................... 4 设备控制...................................................................................................................................................... 4 网络功能...................................................................................................................................................... 4 1.3 设备和模块分类 ......................................................................................................5 字符设备...................................................................................................................................................... 5 块设备.......................................................................................................................................................... 5 网络接口...................................................................................................................................................... 5 1.4 安全问题 ..................................................................................................................6 1.5 版本编号 ..................................................................................................................7 1.6 许可证条款 ..............................................................................................................8 1.7 加入内核开发社团 ..................................................................................................9 1.8 本书概要 ..................................................................................................................9 第 2 章构造和运行模块 ..................................... 11 2.1 核心模块与应用程序的对比 ................................................................................12 2.1.1 用户空间和内核空间..................................................................................................... 14 2.1.2 内核中的并发................................................................................................................. 15 2.1.3 当前进程......................................................................................................................... 15 2.2 编译和装载 ............................................................................................................16 2.2.1 版本依赖......................................................................................................................... 18 2.2.2 平台依赖......................................................................................................................... 19 2.3 内核符号表 ............................................................................................................20 2.4 初始化和关闭 ........................................................................................................22 2.4.1 init_module 中的出错处理 ............................................................................................ 22 i

目录 2.4.2 使用计数......................................................................................................................... 24 2.4.3 卸载 ................................................................................................................................ 25 2.4.4 显式的初始化和清除函数............................................................................................. 25 2.5 使用资源 ................................................................................................................26 2.5.1 I/O 端口和 I/O 内存.................................................................................................... 27 端口............................................................................................................................................................ 27 内存............................................................................................................................................................ 29 2.5.2 Linux 2.4 中的资源分配 ................................................................................................ 30 2.6 自动和手动配置 ....................................................................................................31 2.7 在用户空间编写驱动程序 ....................................................................................33 2.8 向后兼容性 ............................................................................................................35 2.8.1 资源管理的改变............................................................................................................. 35 2.8.2 多处理器系统上的编译................................................................................................. 36 2.8.3 在 Linux 2.0 中导出符号 .............................................................................................. 36 2.8.4 模块配置参数................................................................................................................. 37 2.9 快速参考 ................................................................................................................37 第 3 章字符设备驱动程序 ................................... 40 3.1 scull 的设计............................................................................................................40 3.2 主设备号和次设备号 ............................................................................................41 3.2.1 动态分配主设备号......................................................................................................... 43 3.2.2 从系统中删除设备驱动程序........................................................................................... 45 3.2.3 dev_t 和 kdev_t............................................................................................................. 46 3.3 文件操作 ................................................................................................................47 3.3.1 file 结构 ......................................................................................................................... 50 3.3.2 open 和 release.............................................................................................................. 51 open 方法.................................................................................................................................................. 51 release 方法............................................................................................................................................... 54 3.4 scull 的内存使用...................................................................................................54 3.5 竞态的简介 ............................................................................................................57 3.6 read 和 write.........................................................................................................58 3.6.1 read 方法........................................................................................................................ 60 3.6.2 write 方法 ...................................................................................................................... 62 3.6.3 readv 和 writev ............................................................................................................. 63 3.7 试试新设备 ............................................................................................................63 3.8 设备文件系统 ........................................................................................................64 3.8.1 实际使用 devfs.............................................................................................................. 66 3.8.2 可移植性问题和 devfs................................................................................................... 68 3.9 向后兼容性 ............................................................................................................68 3.9.1 文件操作数据结构的变化............................................................................................. 69 3.9.2 模块使用计数................................................................................................................. 71 3.9.3 信号量支持的变化......................................................................................................... 71 3.9.4 用户空间访问的变化..................................................................................................... 71 3.10 快速索引 ..............................................................................................................72 ii

目录第 4 章调试技术 ........................................... 74 4.1 通过打印调试 ........................................................................................................74 4.1.1 printk............................................................................................................................... 74 4.1.2 消息如何被记录............................................................................................................. 76 4.1.3 开启及关闭消息............................................................................................................. 77 4.2 通过查询调试 ........................................................................................................79 4.2.1 使用 /proc 文件系统 .................................................................................................... 79 4.2.2 ioctl 方法 ....................................................................................................................... 83 4.3 通过监视调试 ........................................................................................................83 4.4 调试系统故障 ........................................................................................................85 4.4.1 oops 消息........................................................................................................................ 85 使用 klogd................................................................................................................................................. 87 使用 ksymoops.......................................................................................................................................... 88 4.4.2 系统挂起......................................................................................................................... 91 4.5 调试器和相关工具 ................................................................................................93 4.5.1 使用 gdb......................................................................................................................... 93 4.5.2 kdb 内核调试器............................................................................................................. 94 4.5.3 集成的内核调试器补丁................................................................................................. 96 4.5.4 kgdb 补丁....................................................................................................................... 97 4.5.5 内核崩溃转储分析器..................................................................................................... 97 4.5.6 用户模式的 Linux 虚拟机 ........................................................................................... 97 4.5.7 Linux 跟踪工具包 ......................................................................................................... 98 4.5.8 Dynamic Probes.............................................................................................................. 98 第 5 章增强的字符驱动程序操作 ............................. 99 5.1 ioctl.........................................................................................................................99 5.1.1 选择 ioctl 命令 ........................................................................................................... 100 类型（type）........................................................................................................................................... 101 号码（number）...................................................................................................................................... 101 方向（direction）.................................................................................................................................... 101 尺寸（size）............................................................................................................................................ 101 5.1.2 返回值........................................................................................................................... 103 5.1.3 预定义命令................................................................................................................... 103 5.1.4 使用 ioctl 参数 ........................................................................................................... 104 5.1.5 权能与受限操作........................................................................................................... 106 5.1.6 ioctl 命令的实现 .......................................................................................................... 107 5.1.7 非 ioctl 的设备控制.................................................................................................... 108 5.2 阻塞型 I/O............................................................................................................109 5.2.1 睡眠和唤醒................................................................................................................... 109 5.2.2 等待队列的深入分析....................................................................................................111 5.2.3 编写可重入代码........................................................................................................... 113 5.2.4 阻塞和非阻塞型操作................................................................................................... 114 5.2.5 一个样例实现：scullpipe ............................................................................................ 115 iii

目录 5.3 poll 和 select....................................................................................................... 118 5.3.1 与 read 和 write 的交互............................................................................................ 121 从设备读取数据...................................................................................................................................... 121 向设备写数据.......................................................................................................................................... 121 刷新待处理输出...................................................................................................................................... 121 5.3.2 底层的数据结构........................................................................................................... 122 5.4 异步通知 ..............................................................................................................123 5.4.1 从驱动程序的角度看................................................................................................... 124 5.5 定位设备 ..............................................................................................................125 5.5.1 llseek 实现 ................................................................................................................... 125 5.6 设备文件的访问控制 ..........................................................................................126 5.6.1 独享设备....................................................................................................................... 127 5.6.2 关于竞态的问题........................................................................................................... 128 5.6.3 限制每次只由一个用户访问....................................................................................... 129 5.6.4 替代 EBUSY 的阻塞型 open.................................................................................... 129 5.6.5 在打开时复制设备....................................................................................................... 130 5.7 向后兼容性 ..........................................................................................................132 5.7.1 Linux 2.2 和 2.0 中的等待队列 ................................................................................ 132 5.7.2 异步通知....................................................................................................................... 133 5.7.3 fsync 方法.................................................................................................................... 133 5.7.4 在 Linux 2.0 中访问用户空间 ................................................................................... 134 5.7.5 2.0 中的权能................................................................................................................ 135 5.7.6 Linux 2.0 的 select 方法............................................................................................ 135 5.7.7 Linux 2.0 的设备定位 ................................................................................................. 136 5.7.8 2.0 和 SMP.................................................................................................................. 136 5.8 快速参考 ..............................................................................................................136 第 6 章时间流 ............................................ 140 6.1 内核中的时间间隔 ..............................................................................................140 6.1.1 处理器特有的寄存器................................................................................................... 141 6.2 获取当前时间 ......................................................................................................142 6.3 延迟执行 ..............................................................................................................143 6.3.1 长延迟........................................................................................................................... 144 6.3.2 短延迟........................................................................................................................... 145 6.4 任务队列 ..............................................................................................................146 6.4.1 任务队列的本质........................................................................................................... 147 6.4.2 任务队列的运行........................................................................................................... 148 6.4.3 预定义的任务队列....................................................................................................... 149 示例程序是如何工作的 .......................................................................................................................... 150 调度器队列.............................................................................................................................................. 151 定时器队列.............................................................................................................................................. 152 立即队列.................................................................................................................................................. 153 6.4.4 运行自己的工作队列................................................................................................... 153 6.4.5 Tasklets ......................................................................................................................... 154 iv

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