人們?nèi)粘Ｉ钪写蚪坏雷疃嗟木褪乔度胧较到y(tǒng)，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(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)占整個計算機系統(tǒng)開發(fā)的比重也越來越大。本書詳細講解嵌入式Linux驅(qū)動開發(fā)和設(shè)備端系統(tǒng)構(gòu)建，并配套全書實例源代碼和作者QQ答疑服務(wù)。
《嵌入式Linux驅(qū)動開發(fā)實踐》共分12章，內(nèi)容包括嵌入式系統(tǒng)概述、搭建Linux安全開發(fā)環(huán)境、必會的嵌入式開發(fā)應(yīng)用層技術(shù)、內(nèi)核模塊開發(fā)、字符設(shè)備驅(qū)動、驅(qū)動模塊的并發(fā)控制、塊設(shè)備驅(qū)動、Linux平臺驅(qū)動、基于AArch64的內(nèi)核和文件系統(tǒng)、設(shè)備樹、I2C驅(qū)動實戰(zhàn)、SPI驅(qū)動實戰(zhàn)。
《嵌入式Linux驅(qū)動開發(fā)實踐》適合作為嵌入式Linux驅(qū)動開發(fā)初學(xué)者的入門書，以及嵌入式Linux開發(fā)人員的參考書，也適合作為高等院校電子、通信、自動化、計算機等專業(yè)“嵌入式操作系統(tǒng)”課程的教材和教學(xué)參考書。
嵌入式開發(fā)的涉及面很廣，必須集中某個知識點學(xué)透相關(guān)知識，才能從事這方面的基本開發(fā)工作，然后在工作中不斷提高。那應(yīng)該如何進行學(xué)習(xí)呢？筆者的經(jīng)驗是分兩大塊來學(xué)，分別是主機端的驅(qū)動和設(shè)備端的系統(tǒng)構(gòu)建。
本書內(nèi)容經(jīng)過精心設(shè)計，使用Linux虛擬機來學(xué)習(xí)驅(qū)動開發(fā)，并使用QEMU軟件模擬一個開發(fā)板來學(xué)習(xí)設(shè)備端系統(tǒng)的構(gòu)建，降低讀者學(xué)習(xí)成本和入門門檻。
隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，計算機處理器技術(shù)不斷提高，計算機芯片的處理能力越來越強，體積越來越小，計算機技術(shù)廣泛應(yīng)用到生活的方方面面。與人們?nèi)粘Ｉ畲蚪坏雷疃嗟木褪乔度胧较到y(tǒng)，從目前廣泛使用的手機、MP3播放器、家用電器到無人機、自動駕駛汽車、機器人，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無處不在。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)占整個計算機系統(tǒng)開發(fā)的比重也越來越大。
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與傳統(tǒng)的計算機程序開發(fā)不同。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)涉及軟件和硬件的開發(fā)，是一個協(xié)同工作的統(tǒng)一體。目前，已經(jīng)有許多的嵌入式系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)軟件，其中應(yīng)用最廣泛的是ARM/AArch64嵌入式處理器和Linux系統(tǒng)。
寫作思路
嵌入式開發(fā)的涉及面很廣，要在一本書中講述所有內(nèi)容是不可能的�？梢赃@么說，如果誰看到某本書囊括很多內(nèi)容，但篇幅又不大，那基本上是蜻蜓點水，毫無深度。嵌入式開發(fā)必須集中某個知識點學(xué)透相關(guān)知識，才能從事這方面的基本開發(fā)，然后在工作中不斷提高。那應(yīng)該如何進行學(xué)習(xí)呢？筆者的經(jīng)驗是分兩大塊來學(xué)，分別是主機端的驅(qū)動和設(shè)備端系統(tǒng)的構(gòu)建。
通常嵌入式產(chǎn)品都會有一個主機端運行的用戶程序（或稱客戶端），它通過主機端的驅(qū)動和設(shè)備端應(yīng)用程序通信，指示設(shè)備端完成某個功能；而設(shè)備端也是一個Linux系統(tǒng)，它除運行設(shè)備端應(yīng)用程序外，還要運行設(shè)備端驅(qū)動程序，以此讓設(shè)備端應(yīng)用程序和設(shè)備端的某個硬件設(shè)備通信。但初學(xué)者（比如，學(xué)生朋友）不可能購買所有的設(shè)備端硬件（費用太高）來學(xué)習(xí)設(shè)備端驅(qū)動，因此我們可以把學(xué)習(xí)驅(qū)動的過程放在主機端來，也就是在主機端的Linux虛擬機中學(xué)習(xí)驅(qū)動開發(fā)，一旦學(xué)會，以后轉(zhuǎn)到設(shè)備端開發(fā)驅(qū)動程序大同小異，甚至只是換個編譯器而已。
另外，筆者為了讓初學(xué)者節(jié)省學(xué)習(xí)成本，把主機端的驅(qū)動開發(fā)也盡量做成虛擬驅(qū)動開發(fā)，也就是說沒有硬件，不需要購買昂貴的開發(fā)板，也可以學(xué)習(xí)驅(qū)動開發(fā)。區(qū)別就是看不到實際硬件的工作結(jié)果，但我們可以用數(shù)據(jù)來表示，比如驅(qū)動模塊收到上層發(fā)來的數(shù)據(jù)1，就表示燈亮了。在實際工作中，我們只需要替換調(diào)用一下廠家提供的硬件操作API函數(shù)即可，這些函數(shù)我們可以現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，沒必要在初學(xué)階段去掌握。
除驅(qū)動開發(fā)外，設(shè)備端的系統(tǒng)構(gòu)建也是一個難點，幸運的是，我們依然可以使用QEMU這個軟件來模擬一個開發(fā)板，并在QEMU上編譯一個內(nèi)核并啟動這個內(nèi)核，再加上文件系統(tǒng)，等等。這些步驟與實際在開發(fā)板上的操作區(qū)別不大。開發(fā)板最多就是多了一個Uboot（類似于計算機的BIOS）開機引導(dǎo)程序，而這個開機引導(dǎo)程序開發(fā)板廠家也是會提供的。
基于這兩點（驅(qū)動和基于內(nèi)核的系統(tǒng)構(gòu)建），我們以此為重點貫穿本書，并給出較多的實例和詳細的說明，相信讀者能夠快速進入嵌入式開發(fā)的大門。
源碼資源下載
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作者答疑服務(wù)
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作 者
2023年12月
朱文偉，名校計算機專業(yè)統(tǒng)招碩士，20多年C\C 、Java開發(fā)經(jīng)驗。主導(dǎo)開發(fā)過密碼、圖形、人工智能等產(chǎn)品。精通Linux、Windows系統(tǒng)開發(fā)及數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)。著有圖書：
《高性能Linux網(wǎng)絡(luò)編程核心技術(shù)揭秘》《Linux C/C 服務(wù)器開發(fā)實踐》《Qt 6.x從入門到精通》《PyQt 5從入門到精通》《Linux C與C 一線開發(fā)實踐》《Visual C 2017從入門到精通》《Windows C/C 加密解密實戰(zhàn)》《密碼學(xué)原理與Java實現(xiàn)》《OpenCV 4.5計算機視覺開發(fā)實戰(zhàn)（基于VC ）》《OpenCV 4.5計算機視覺開發(fā)實戰(zhàn)：基于Python》。
第 1 章 嵌入式系統(tǒng)概述 1
1.1 嵌入式系統(tǒng) 1
1.2 Linux操作系統(tǒng) 2
1.3 Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢 2
1.4 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程 4
1.5 嵌入式Linux系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 5
1.5.1 嵌入式處理器 5
1.5.2 嵌入式外圍硬件設(shè)備 5
1.5.3 嵌入式操作系統(tǒng) 6
1.5.4 設(shè)備驅(qū)動 6
1.5.5 嵌入式應(yīng)用軟件 6
1.6 嵌入式Linux系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 6
1.7 Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核 7
1.7.1 Linux內(nèi)核的組成 7
1.7.2 Linux內(nèi)核各部分的工作機制 8
1.8 Linux設(shè)備驅(qū)動程序 12
1.8.1 Linux設(shè)備驅(qū)動概述 12
1.8.2 設(shè)備驅(qū)動的功能 13
1.8.3 設(shè)備的分類 13
1.8.4 驅(qū)動的分類 14
1.8.5 設(shè)備驅(qū)動與內(nèi)核的關(guān)系 16
1.8.6 設(shè)備驅(qū)動的結(jié)構(gòu) 17
1.8.7 設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計和實現(xiàn)步驟 19
第 2 章 搭建Linux驅(qū)動開發(fā)環(huán)境 22
2.1 準備虛擬機環(huán)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(guān)閉內(nèi)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(guān)閉防火墻 27
2.1.6 配置安裝源 28
2.1.7 安裝網(wǎng)絡(luò)工具包 28
2.1.8 安裝基本開發(fā)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(fā)內(nèi)核驅(qū)動程序 43
2.4 使用Visual C 2017開發(fā)應(yīng)用程序 48
第 3 章 嵌入式開發(fā)必會應(yīng)用層技術(shù) 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(guān)機和重啟 54
3.5 開機自啟動 55
3.6 查看Ubuntu的內(nèi)核版本 56
3.7 查看Ubuntu操作系統(tǒng)的版本 57
3.8 配置文件的區(qū)別 57
3.9 讓/etc/profile文件修改后立即生效 58
3.10 測試Web服務(wù)器的性能 59
3.10.1 架設(shè)Web服務(wù)器Apache 59
3.10.2 在Windows下測試Web服務(wù)器的性能 60
3.10.3 在Linux下測試Web服務(wù)器的性能 61
3.11 Linux中的文件權(quán)限 66
3.12 環(huán)境變量的獲取和設(shè)置 66
3.13 解析命令行參數(shù)函數(shù) 69
第 4 章 內(nèi)核模塊開發(fā) 70
4.1 Linux內(nèi)核概述 70
4.2 內(nèi)核模塊簡介 71
4.2.1 何為內(nèi)核模塊 71
4.2.2 增加內(nèi)核功能的兩種方法 72
4.2.3 使用模塊的優(yōu)缺點 72
4.2.4 常用的模塊操作命令 72
4.2.5 Linux內(nèi)核程序結(jié)構(gòu) 73
第 5 章 字符設(shè)備驅(qū)動 76
5.1 Linux設(shè)備框架 76
5.2 字符設(shè)備的概念 77
5.3 字符設(shè)備驅(qū)動 80
5.3.1 file_operations結(jié)構(gòu)體 80
5.3.2 字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)步驟 82
5.3.3 設(shè)備號的分配 85
5.4 驅(qū)動開發(fā)的常用函數(shù) 86
5.4.1 copy_from_user函數(shù) 86
5.4.2 copy_to_user函數(shù) 87
5.4.3 printk函數(shù) 88
5.4.4 register_chrdev函數(shù) 89
5.4.5 register_chrdev_region函數(shù) 91
5.4.6 alloc_chrdev_region函數(shù) 91
5.4.7 cdev_init函數(shù) 91
5.4.8 cdev_alloc函數(shù) 92
5.4.9 cdev_add函數(shù) 93
5.4.10 cdev_del函數(shù) 95
5.4.11 宏class_create 95
5.4.12 device_create函數(shù) 96
5.4.13 device_del函數(shù) 96
5.4.14 unregister_chrdev函數(shù) 97
5.4.15 實戰(zhàn)字符設(shè)備驅(qū)動 97
5.5 字符設(shè)備的ioctl接口 106
5.5.1 什么是ioctl接口 106
5.5.2 為什么要引入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(yīng)用 109
5.5.6 ioctl處理結(jié)構(gòu)體 112
5.6 Linux虛擬驅(qū)動框架設(shè)計 114
5.7 虛擬LED驅(qū)動的實現(xiàn) 116
第 6 章 驅(qū)動模塊的并發(fā)控制 122
6.1 嵌入式Linux系統(tǒng)的空間組成 122
6.1.1 操作系統(tǒng)內(nèi)核 122
6.1.2 操作系統(tǒng)的空間組成及模式 123
6.1.3 用戶空間訪問內(nèi)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(nèi)存結(jié)構(gòu) 125
6.2.4 多任務(wù)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(jié)構(gòu) 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(tài) 146
6.4.3 進程的切換過程分析 147
6.5 內(nèi)核進程和線程管理編程 148
6.5.1 獲得進程PID結(jié)構(gòu)體 148
6.5.2 從命名空間下的PID找到對應(yīng)的PID結(jié)構(gòu)體 149
6.5.3 獲取進程的進程號 150
6.5.4 改變PID結(jié)構(gòu)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(chuàng)建一個新的內(nèi)核線程 156
6.5.9 終止指定進程 158
6.5.10 結(jié)束當(dāng)前正在執(zhí)行的進程 159
6.6 并發(fā)控制的基本概念 160
6.6.1 什么是并發(fā) 160
6.6.2 臨界資源與臨界區(qū) 160
6.6.3 原子操作 160
6.6.4 并發(fā)控制的內(nèi)容 161
6.6.5 為何要并發(fā)控制 161
6.7 設(shè)備驅(qū)動的并發(fā)控制機制 162
6.7.1 并發(fā)控制的基礎(chǔ)操作 162
6.7.2 自旋鎖 164
6.7.3 信號量 165
6.7.4 其他的并發(fā)控制機制 166
6.7.5 驅(qū)動并發(fā)控制的設(shè)計方法 167
6.8 內(nèi)核同步編程 170
6.8.1 設(shè)置原子類型的變量并讀取 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 獲取信號量并減1（不可中斷） 173
6.8.5 獲取信號量并減1（可中斷） 174
6.8.6 在指定的時間內(nèi)獲取信號量 175
6.8.7 釋放信號量 176
第 7 章 塊設(shè)備驅(qū)動 178
7.1 塊設(shè)備的概念 178
7.1.1 什么是塊設(shè)備 178
7.1.2 常用的塊設(shè)備 178
7.1.3 塊設(shè)備和字符設(shè)備的區(qū)別 179
7.1.4 塊設(shè)備相關(guān)的幾個單位 180
7.1.5 塊設(shè)備的訪問 181
7.2 塊設(shè)備驅(qū)動程序的概念 182
7.2.1 什么是塊設(shè)備驅(qū)動程序 182
7.2.2 為什么需要了解塊設(shè)備驅(qū)動 182
7.2.3 塊設(shè)備驅(qū)動的組成部分 183
7.2.4 塊設(shè)備驅(qū)動框架 184
7.3 塊設(shè)備驅(qū)動的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 187
7.3.1 通用硬盤結(jié)構(gòu)gendisk 187
7.3.2 塊設(shè)備對象結(jié)構(gòu)block_device 188
7.3.3 bio結(jié)構(gòu) 189
7.3.4 請求隊列request_queue結(jié)構(gòu) 189
7.3.5 請求結(jié)構(gòu)request 190
7.3.6 磁盤操作結(jié)構(gòu)block_device_operations 191
7.4 塊設(shè)備驅(qū)動中的I/O請求處理函數(shù) 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(shè)備驅(qū)動編寫的步驟 193
7.6 重要函數(shù) 193
7.6.1 注冊 193
7.6.2 塊設(shè)備操作 194
7.7 實戰(zhàn)案例：用RAM模擬一個塊設(shè)備 195
第 8 章 Linux平臺驅(qū)動 203
8.1 平臺設(shè)備驅(qū)動模型 203
8.1.1 驅(qū)動的分隔與分離 203
8.1.2 驅(qū)動的分層 205
8.1.3 基本概念 205
8.1.4 什么是platform總線 206
8.2 platform驅(qū)動 209
8.2.1 platform_driver結(jié)構(gòu)體 209
8.2.2 platform主要函數(shù) 211
8.2.3 platform驅(qū)動框架 212
8.2.4 platform_device的注冊過程 214
8.3 platform設(shè)備 215
8.4 實現(xiàn)platform驅(qū)動 218
第 9 章 基于AArch64的內(nèi)核和文件系統(tǒng) 229
9.1 認識QEMU 230
9.1.1 QEMU是什么 230
9.1.2 QEMU的兩種執(zhí)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(xiàn)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 制作簡易文件系統(tǒng) 244
9.4.1 BusyBox簡介 245
9.4.2 編譯/安裝BusyBox 246
9.4.3 制作根文件系統(tǒng)的映像文件 249
9.5 非嵌入式方式啟動內(nèi)核 250
9.5.1 BusyBox啟動過程簡要分析 254
9.5.2 在新內(nèi)核系統(tǒng)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(xiàn)文件系統(tǒng)可寫 264
9.7 QEMU用戶網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)模式 270
9.8.1 網(wǎng)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(tǒng)架構(gòu) 272
9.8.4 brctl的簡單用法 273
9.8.5 三個網(wǎng)絡(luò)配置選項 275
9.8.6 實戰(zhàn)橋接模式網(wǎng)絡(luò) 277
9.8.7 手工命令創(chuàng)建TAP網(wǎng)卡 282
9.8.8 使用qemu-ifup 284
9.9 QEMU運行國產(chǎn)操作系統(tǒng) 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(tǒng) 287
9.9.4 運行麒麟系統(tǒng) 289
第 10 章 設(shè)備樹 291
10.1 設(shè)備樹的概念 291
10.1.1 什么是設(shè)備樹 291
10.1.2 設(shè)備樹的起源 292
10.1.3 Linux內(nèi)核對硬件的描述方式 294
10.1.4 設(shè)備樹和內(nèi)核的關(guān)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(shè)備樹框架 297
10.4.1 布局與節(jié)點 298
10.4.2 節(jié)點名 299
10.4.3 引用 300
10.4.4 cpus節(jié)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(shè)備樹操作常用API 311
10.6.1 device_node 311
10.6.2 查找節(jié)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(shè)備樹中提取MAC地址 315
10.7 編寫設(shè)備樹并編譯 315
第 11 章 I2C驅(qū)動實戰(zhàn) 317
11.1 I2C的基本概念 317
11.1.1 總線的定義 317
11.1.2 什么是I2C 318
11.1.3 I2C總線 318
11.1.4 I2C總線規(guī)范 318
11.1.5 I2C總線的特點 319
11.2 I2C驅(qū)動實戰(zhàn) 320
第 12 章 SPI驅(qū)動實戰(zhàn) 334
12.1 SPI概述 334
12.1.1 什么是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(qū)動軟件架構(gòu) 340
12.2.1 SPI通用設(shè)備驅(qū)動程序 341
12.2.2 SPI控制器驅(qū)動程序 342
12.2.3 SPI協(xié)議驅(qū)動程序 342
12.2.4 隊列化 343
12.3 SPI虛擬驅(qū)動實戰(zhàn) 343
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