嵌入式Linux驅動開發實踐（簡體書）

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計算機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、計算機等專業“嵌入式操作系統”課程的教材和教學參考書。

朱文偉，名校計算機專業統招碩士，20多年CC 、Java開發經驗。主導開發過密碼、圖形、人工智能等產品。精通Linux、Windows系統開發及數據庫開發技術。著有圖書：
《高性能Linux網絡編程核心技術揭秘》《Linux C/C 服務器開發實踐》《Qt 6.x從入門到精通》《PyQt 5從入門到精通》《Linux C與C 一線開發實踐》《Visual C 2017從入門到精通》《Windows C/C 加密解密實戰》《密碼學原理與Java實現》《OpenCV 4.5計算機視覺開發實戰（基於VC ）》《OpenCV 4.5計算機視覺開發實戰：基於Python》。

嵌入式開發的涉及面很廣，必須集中某個知識點學透相關知識，才能從事這方面的基本開發工作，然後在工作中不斷提高。那應該如何進行學習呢？筆者的經驗是分兩大塊來學，分別是主機端的驅動和設備端的系統構建。
本書內容經過精心設計，使用Linux虛擬機來學習驅動開發，並使用QEMU軟件模擬一個開發板來學習設備端系統的構建，降低讀者學習成本和入門門檻。

前
隨著超大規模集成電路的發展，計算機處理器技術不斷提高，計算機芯片的處理能力越來越強，體積越來越小，計算機技術廣泛應用到生活的方方面面。與人們日常生活打交道最多的就是嵌入式系統，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，嵌入式系統的應用無處不在。嵌入式系統的開發占整個計算機系統開發的比重也越來越大。
嵌入式系統開發與傳統的計算機程序開發不同。嵌入式系統開發涉及軟件和硬件的開發，是一個協同工作的統一體。目前，已經有許多的嵌入式系統硬件和操作系統軟件，其中應用最廣泛的是ARM/AArch64嵌入式處理器和Linux系統。
寫作思路
嵌入式開發的涉及面很廣，要在一本書中講述所有內容是不可能的。可以這麼說，如果誰看到某本書囊括很多內容，但篇幅又不大，那基本上是蜻蜓點水，毫無深度。嵌入式開發必須集中某個知識點學透相關知識，才能從事這方面的基本開發，然後在工作中不斷提高。那應該如何進行學習呢？筆者的經驗是分兩大塊來學，分別是主機端的驅動和設備端系統的構建。
通常嵌入式產品都會有一個主機端運行的用戶程序（或稱客戶端），它通過主機端的驅動和設備端應用程序通信，指示設備端完成某個功能；而設備端也是一個Linux系統，它除運行設備端應用程序外，還要運行設備端驅動程序，以此讓設備端應用程序和設備端的某個硬件設備通信。但初學者（比如，學生朋友）不可能購買所有的設備端硬件（費用太高）來學習設備端驅動，因此我們可以把學習驅動的過程放在主機端來，也就是在主機端的Linux虛擬機中學習驅動開發，一旦學會，以後轉到設備端開發驅動程序大同小異，甚至只是換個編譯器而已。
另外，筆者為了讓初學者節省學習成本，把主機端的驅動開發也盡量做成虛擬驅動開發，也就是說沒有硬件，不需要購買昂貴的開發板，也可以學習驅動開發。區別就是看不到實際硬件的工作結果，但我們可以用數據來表示，比如驅動模塊收到上層發來的數據1，就表示燈亮了。在實際工作中，我們只需要替換調用一下廠家提供的硬件操作API函數即可，這些函數我們可以現學現用，沒必要在初學階段去掌握。
除驅動開發外，設備端的系統構建也是一個難點，幸運的是，我們依然可以使用QEMU這個軟件來模擬一個開發板，並在QEMU上編譯一個內核並啟動這個內核，再加上文件系統，等等。這些步驟與實際在開發板上的操作區別不大。開發板最多就是多了一個Uboot（類似於計算機的BIOS）開機引導程序，而這個開機引導程序開發板廠家也是會提供的。
基於這兩點（驅動和基於內核的系統構建），我們以此為重點貫穿本書，並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的大門。
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作 者
2023年12月

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係 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帳號 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 關閉防火墻 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 什麼是ioctl接口 106
5.5.2 為什麼要引入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 什麼是並發 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 什麼是塊設備 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 什麼是塊設備驅動程序 182
7.2.2 為什麼需要了解塊設備驅動 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 塊設備物件結構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 注冊 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 什麼是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的注冊過程 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是什麼 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 什麼是設備樹 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 設備樹和內核的關係 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 布局與節點 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 什麼是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 什麼是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