作者：宋宝华
出版社：机械工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
Linux设备驱动开发详解：基于最新的Linux 4.0内核试读：
前言
Linux从未停歇前进的脚步。Linus Torvalds，世界上最伟大的程序员之一，Linux内核的创始人，Git的缔造者，现在仍然在没日没夜地合并补丁、升级内核。做技术的人，从来没有终南捷径，拼得就是坐冷板凳的傻劲。
这是一个连阅读都被碎片化的时代，在这样一个时代，人们趋向于激进、浮躁，内心的不安宁使我们极难静下心来研究什么。我见过许多Linux工程师，他们的简历上写着“精通”Linux内核，有多年的工作经验，而他们的“精通”却只是把某个寄存器从0改成1，从1改成0的不断重复；我也见过许多Linux工程师，他们终日埋头苦干，敲打着自己的机器和电路板，却从未冷静下来思考，并不断重构和升华自己的知识体系。
这是要把“牢底”坐穿的程序员，这样“忙忙碌碌”的程序员，从来都不算是好程序员。
对于优秀的程序员，其最优秀的品质是能够心平气和地学习与思考问题，透析代码背后的架构、原理和设计思想。没有思想的代码是垃圾代码，没有思想的程序员，只是在完成低水平重复建设的体力活。很多程序员从不过问自己写的代码最后在机器里面是怎么跑的，很多事情莫名其妙地发生了，很多bug莫名其妙地消失了……他们永远都在得过且过。
由此，衍生出了本书的第一个出发点，那就是带给读者更多关于Linux开发思想的讲解，帮助读者奠定根基。本书呈现给读者的更多的是一种思考方法，而不是知识点的简单罗列。
本书除对基础理论部分进行了详细的讲解外，还加强了对驱动编程所涉及的Linux内核最底层机理的讲解，内容包括中断、定时器、进程生命周期、uevent、并发、编译乱序、执行乱序、等待队列、I/O模型、内存管理等。这些知识点非常重要，是真正证明程序员理解了Linux的部分内容，程序员只有打好根基，才能游刃有余。
本书没有大量描述各种具体驱动类型的章节，如Sound、PCI、MTD、tty等，而将更多的焦点转移到了驱动编程背后的内核原理，并试图从Linux内核的上百个驱动子系统中寻找出内部规律，以培养读者举一反三的能力。
Linux内核有上百个驱动子系统，这一点从内核的drivers子目录中就可以看出来：
好吧，傻子才会一个目录一个目录地去看，一个目录一个目录地从头学起。我们势必要寻找各种驱动子系统的共性，摸索规律。在本书中，我们将更多地看到各驱动子系统的类比，以及驱动子系统的层次化设计。
技术工作从来都不能一劳永逸。世界变化得太快，当前技术革新的速度数倍于我们父辈、祖辈、祖祖辈经历过的任何时代。证明你是“真球迷”还是“伪球迷”的时候到了，这个时代是伪程序员的地狱，也是真程序员的天堂。
从浩如烟海的知识体系、不断更新的软件版本中终生学习，不断攻克一个个挑战，获取新养分，寻找新灵感，这实在是黑暗的码农生涯中不断闪现的璀璨光芒。
Linux的内核版本不断更新，出现了Linux 3.0、Linux 3.1、Linux 3.2、…、Linux 3.19、Linux 4.0、Linux 4.1，变化的是软件的架构，不变的是Linus的热情。
这无疑也是本书的第二个出发点，更新Linux驱动编程的知识体系以迎合最新的时代需求。因此，本书有大量关于设备树、ARM Linux移植、Linux电源管理、GPIO、时钟、定时器、pinmux、DMA等内容。我们的操作平台也转移到了QEMU模拟的4核Cortex-A9电路板上，书中的实例基本都转移到了市面流行的新芯片上。
最近两三年，老是听许多程序员抱怨，市面上缺乏讲解新内核的资料、缺乏从头到尾讲解设备树的资料，但是我想说，这实在不是什么难点。难点仍然是本书基于第一个出发点要解决的问题，如果有好的基础，以优秀程序员极强的学习能力，应该很快就可以掌握这些新知识。机制没有变，变化的只是策略。
因此学习能力也是优秀程序员的又一个重要品质。没有人生下来就是天才，良好的学习能力也是通过后天的不断学习培养的。可以说，学得越多的人，学新东西的速度一定越快，学习能力也变得越强。因为，知识的共通性实在太多。
读者在阅读本书时，不应该企图把它当成一本工具书和查API的书，而是应该把它当作一本梳理理论体系、开发思想、软件架构的书。唯如此，我们才能适应未来新的变化。
时代的滚滚车轮推动着Linux内核的版本不断向前，也推动着每个人的人生。红尘滚滚，
我不去想是否能够成功，
既然选择了远方，
便只顾风雨兼程。
最后，本书能得以出版，要感谢带领我向前的人生导师和我的众多小伙伴，他们或者在我人生的关键时刻改变了我，或者给我黑暗的程序生涯带来了无尽的快乐和动力。我的小伙伴，他们力挺我、鼓励我，也辱骂我、奚落我，这些都是真挚的友情。
谨以此书，致以对杨平先生、何昭然、方毅伟、李华毅、宋志武、杜向龙、叶祥振、刘昊、王榕、何晔、王立赛、曾过、刘永生、段丙华、章君义、王文琪、卢鹏、刘涛、徐西宁、吴赫、任桥伟、秦龙廷、胡良兵、张家旺、王雷、Bryan Wu、Eric Miao、Cliff Cai、Qipan Li、Guoying Zhang、陈健松、Haoyu Zhong、刘洪涛、季久峰、邴杰、孙志忠、吴国举、Bob Liu、赵小吾、EJ Zhao、贺亚锋、刘仕杰、Hao Yin等老师和小伙伴的深深感激；谨以此书，致以对我的父母大人、老婆大人、兄长和姐姐、伟大丈母娘的深深感激，本书的写作时间超过一年，其过程是一种巨大的肉体和精神折磨，没有他们的默默支持和不断鞭策，本书是不可能完成的；谨以此书，对为本书做出巨大贡献的编辑、策划老师，尤其是张国强老师致以深深的感激！特别感谢读者彭东林为本书第一次印刷提供了大量的勘误建议。
由于篇幅的关系，我没有办法一一列举我要感激的所有人，但是，这些年从你们那里获得的，远远大于我付出的，所以，在内心深处，唯有怀着对你们的深深感恩，不断前行。岁月如歌，吾歌狂行。
全书结构
本书首先介绍Linux设备驱动的基础。第1章简要地介绍了设备驱动，并从无操作系统的设备驱动引出了Linux操作系统下的设备驱动，介绍了本书所基于的开发环境。第2章系统地讲解了Linux驱动工程师应该掌握的硬件知识，为工程师打下Linux驱动编程的硬件基础，详细介绍了各种类型的CPU、存储器和常见的外设，并阐述了硬件时序分析方法和数据手册阅读方法。第3章将Linux设备驱动放在Linux 2.6内核背景中进行讲解，说明Linux内核的编程方法。由于驱动编程也在内核编程的范畴，因此，这一章实质是为编写Linux设备驱动打下软件基础。
其次，讲解Linux设备驱动编程的基础理论、字符设备驱动及设备驱动设计中涉及的并发控制、同步等问题。第4、5章分别讲解Linux内核模块和Linux设备文件系统；第6～9章以虚拟设备globalmem和globalfifo为主线，逐步给其添加高级控制功能；第10、11章分别阐述Linux驱动编程中所涉及的中断和定时器、内核和I/O操作处理方法。
接着，剖析复杂设备驱动的体系结构以及块设备、网络设备驱动。该篇讲解了设备与驱动的分离、主机控制器驱动与外设驱动的分离，并以大量实例（如input、tty、LCD、platform、I2C、SPI、USB等）来佐证。其中第12章和第17章遥相呼应，力图全面地展示驱动的架构。Linux有100多个驱动子系统，逐个讲解和学习都是不现实的，授人以鱼不如授人以渔，因此我们将更多的焦点放在了架构讲解方面，以便读者可以举一反三。
本书最后4章分析了Linux的设备树、Linux移植到新的SoC上的具体工作以及Linux内核和驱动的一些调试方法。这些内容，对于理解如何从头开始搭建一个Linux，以及整个Linux板级支持包上上下下的关系尤为重要。
另外，本书的主要代码都引用自Linux源代码，为保留原汁原味，均延用了代码的英文注释，而其他非引用的代码则使用了中文注释或无注释，特此说明。
本书配套的相关素材和代码，读者均可从与本书相关的微信公众号中获得，相关公众号是：Linuxer，欢迎扫描二维码。宋宝华2015年4月于上海浦东 第1章 Linux设备驱动概述及开发环境构建
本章导读
本章将介绍Linux设备驱动开发的基本概念，并对本书所基于的平台和开发环境进行讲解。
1.1节阐明设备驱动的概念和作用。
1.2节和1.3节分别讲解在无操作系统情况下和有操作系统情况下设备驱动的设计，通过对设计差异的分析，讲解设备驱动与硬件和操作系统的关系。
1.4节对Linux操作系统的设备驱动进行了概要性的介绍，给出设备驱动与整个软硬件系统的关系，分析Linux设备驱动的重点、难点和学习方法。
1.5节对本书所基于的QEMU模拟的vexpress ARM Cortex-A9四核开发板和开发环境的安装进行介绍。
本章最后给出了一个设备驱动的“Hello World”实例，即最简单的LED驱动在无操作系统情况下和Linux操作系统下的实现。1.1 设备驱动的作用
任何一个计算机系统的运转都是系统中软硬件共同努力的结果，没有硬件的软件是空中楼阁，而没有软件的硬件则只是一堆废铁。硬件是底层基础，是所有软件得以运行的平台，代码最终会落实为硬件上的组合逻辑与时序逻辑；软件则实现了具体应用，它按照各种不同的业务需求而设计，并完成用户的最终诉求。硬件较固定，软件则很灵活，可以适应各种复杂多变的应用。因此，计算机系统的软硬件相互成就了对方。
但是，软硬件之间同样存在着悖论，那就是软件和硬件不应该互相渗透入对方的领地。为尽可能快速地完成设计，应用软件工程师不想也不必关心硬件，而硬件工程师也难有足够的闲暇和能力来顾及软件。譬如，应用软件工程师在调用套接字发送和接收数据包的时候，不必关心网卡上的中断、寄存器、存储空间、I/O端口、片选以及其他任何硬件词汇；在使用printf（）函数输出信息的时候，他不用知道底层究竟是怎样把相应的信息输出到屏幕或者串口。
也就是说，应用软件工程师需要看到一个没有硬件的纯粹的软件世界，硬件必须透明地呈现给他。谁来实现硬件对应用软件工程师的隐形？这个光荣而艰巨的任务就落在了驱动工程师的头上。
对设备驱动最通俗的解释就是“驱使硬件设备行动”。驱动与底层硬件直接打交道，按照硬件设备的具体工作方式，读写设备的寄存器，完成设备的轮询、中断处理、DMA通信，进行物理内存向虚拟内存的映射等，最终让通信设备能收发数据，让显示设备能显示文字和画面，让存储设备能记录文件和数据。
由此可见，设备驱动充当了硬件和应用软件之间的纽带，应用软件时只需要调用系统软件的应用编程接口（API）就可让硬件去完成要求的工作。在系统没有操作系统的情况下，工程师可以根据硬件设备的特点自行定义接口，如对串口定义SerialSend（）、SerialRecv（），对LED定义LightOn（）、LightOff（），对Flash定义FlashWr（）、FlashRd（）等。而在有操作系统的情况下，驱动的架构则由相应的操作系统定义，驱动工程师必须按照相应的架构设计驱动，这样，驱动才能良好地整合入操作系统的内核中。
驱动程序负责硬件和应用软件之间的沟通，而驱动工程师则负责硬件工程师和应用软件工程师之间的沟通。目前，随着通信、电子行业的迅速发展，全世界每天都会生产大量新芯片，设计大量新电路板，也因此，会有大量设备驱动需要开发。这些驱动或运行在简单的单任务环境中，或运行在VxWorks、Linux、Windows等多任务操作系统环境中，它们发挥着不可替代的作用。1.2 无操作系统时的设备驱动
并不是任何一个计算机系统都一定要有操作系统，在许多情况下，操作系统都不必存在。对于功能比较单一、控制并不复杂的系统，譬如ASIC内部、公交车的刷卡机、电冰箱、微波炉、简单的手机和小灵通等，并不需要多任务调度、文件系统、内存管理等复杂功能，用单任务架构完全可以良好地支持它们的工作。一个无限循环中夹杂着对设备中断的检测或者对设备的轮询是这种系统中软件的典型架构，如代码清单1.1所示。
代码清单1.1 单任务软件典型架构 1int main(int argc, char* argv[]) 2{ 3 while (1) 4 { 5 if (serialInt == 1) 6 /* 有串口中断 */ 7 { 8 ProcessSerialInt(); /* 处理串口中断 */ 9 serialInt = 0; /* 中断标志变量清0 */10 }11 if (keyInt == 1)12 /* 有按键中断 */13 {14 ProcessKeyInt(); /* 处理按键中断 */15 keyInt = 0; /* 中断标志变量清0 */16 }17 status = CheckXXX();18 switch (status)19 {20 ...21 }22 ...23 }24}
在这样的系统中，虽然不存在操作系统，但是设备驱动则无论如何都必须存在。一般情况下，每一种设备驱动都会定义为一个软件模块，包含.h文件和.c文件，前者定义该设备驱动的数据结构并声明外部函数，后者进行驱动的具体实现。譬如，可以像代码清单1.2那样定义一个串口的驱动。
代码清单1.2 无操作系统情况下串口的驱动 1 /********************** 2 *serial.h文件 3 **********************/ 4 extern void SerialInit(void); 5 extern void SerialSend(const char buf*,int count); 6 extern void SerialRecv(char buf*,int count); 7 8 /********************** 9 *serial.c文件10 **********************/11 /* 初始化串口 */12 void SerialInit(void)13 {14 ...15 }16 /* 串口发送 */17 void SerialSend(const char *buf,int count)18 {19 ...20 }21 /* 串口接收 */22 void SerialRecv(char *buf,int count)23 {24 ...25 }26 /* 串口中断处理函数 */27 void SerialIsr(void)28 {29 ...30 serialInt = 1;31}
其他模块想要使用这个设备的时候，只需要包含设备驱动的头文件serial.h，然后调用其中的外部接口函数。如要从串口上发送“Hello World”字符串，使用语句SerialSend（“Hello World”，11）即可。
由此可见，在没有操作系统的情况下，设备驱动的接口被直接提交给应用软件工程师，应用软件没有跨越任何层次就直接访问设备驱动的接口。驱动包含的接口函数也与硬件的功能直接吻合，没有任何附加功能。图1.1所示为无操作系统情况下硬件、设备驱动与应用软件的关系。
有的工程师把单任务系统设计成了如图1.2所示的结构，即设备驱动和具体的应用软件模块之间平等，驱动中包含了业务层面上的处理，这显然是不合理的，不符合软件设计中高内聚、低耦合的要求。
另一种不合理的设计是直接在应用中操作硬件的寄存器，而不单独设计驱动模块，如图1.3所示。这种设计意味着系统中不存在或未能充分利用可重用的驱动代码。图1.1 无操作系统时硬件、设备驱动和应用软件的关系图1.2 驱动与应用高耦合的不合理设计图1.3 应用直接访问硬件的不合理设计1.3 有操作系统时的设备驱动
在1.2节中我们看到一个清晰的设备驱动，它直接运行在硬件之上，不与任何操作系统关联。当系统包含操作系统时，设备驱动会变得怎样呢？
首先，无操作系统时设备驱动的硬件操作工作仍然是必不可少的，没有这一部分，驱动不可能与硬件打交道。
其次，我们还需要将驱动融入内核。为了实现这种融合，必须在所有设备的驱动中设计面向操作系统内核的接口，这样的接口由操作系统规定，对一类设备而言结构一致，独立于具体的设备。
由此可见，当系统中存在操作系统的时候，驱动变成了连接硬件和内核的桥梁。如图1.4所示，操作系统的存在势必要求设备驱动附加更多的代码和功能，把单一的“驱使硬件设备行动”变成了操作系统内与硬件交互的模块，它对外呈现为操作系统的API，不再给应用软件工程师直接提供接口。图1.4 硬件、驱动、操作系统和应用程序的关系
那么我们要问，有了操作系统之后，驱动反而变得复杂，那要操作系统干什么？
首先，一个复杂的软件系统需要处理多个并发的任务，没有操作系统，想完成多任务并发是很困难的。
其次，操作系统给我们提供内存管理机制。一个典型的例子是，对于多数含MMU的32位处理器而言，Windows、Linux等操作系统可以让每个进程都可以独立地访问4GB的内存空间。
上述优点似乎并没有体现在设备驱动身上，操作系统的存在给设备驱动究竟带来了什么实质性的好处？
简而言之，操作系统通过给驱动制造麻烦来达到给上层应用提供便利的目的。当驱动都按照操作系统给出的独立于设备的接口而设计时，那么，应用程序将可使用统一的系统调用接口来访问各种设备。对于类UNIX的VxWorks、Linux等操作系统而言，当应用程序通过write（）、read（）等函数读写文件就可访问各种字符设备和块设备，而不论设备的具体类型和工作方式，那将是多么便利。1.4 Linux设备驱动1.4.1 设备的分类及特点
计算机系统的硬件主要由CPU、存储器和外设组成。随着IC制作工艺的发展，目前，芯片的集成度越来越高，往往在CPU内部就集成了存储器和外设适配器。譬如，相当多的ARM、PowerPC、MIPS等处理器都集成了UART、I2C控制器、SPI控制器、USB控制器、SDRAM控制器等，有的处理器还集成了GPU（图形处理器）、视频编解码器等。
驱动针对的对象是存储器和外设（包括CPU内部集成的存储器和外设），而不是针对CPU内核。Linux将存储器和外设分为3个基础大类。
·字符设备。
·块设备。
·网络设备。
字符设备指那些必须以串行顺序依次进行访问的设备，如触摸屏、磁带驱动器、鼠标等。块设备可以按任意顺序进行访问，以块为单位进行操作，如硬盘、eMMC等。字符设备和块设备的驱动设计有出很大的差异，但是对于用户而言，它们都要使用文件系统的操作接口open（）、close（）、read（）、write（）等进行访问。
在Linux系统中，网络设备面向数据包的接收和发送而设计，它并不倾向于对应于文件系统的节点。内核与网络设备的通信与内核和字符设备、块设备的通信方式完全不同，前者主要还是使用套接字接口。1.4.2 Linux设备驱动与整个软硬件系统的关系
如图1.5所示，除网络设备外，字符设备与块设备都被映射到Linux文件系统的文件和目录，通过文件系统的系统调用接口open（）、write（）、read（）、close（）等即可访问字符设备和块设备。所有字符设备和块设备都统一呈现给用户。Linux的块设备有两种访问方法：一种是类似dd命令对应的原始块设备，如“/dev/sdb1”等；另外一种方法是在块设备上建立FAT、EXT4、BTRFS等文件系统，然后以文件路径如“/home/barry/hello.txt”的形式进行访问。在Linux中，针对NOR、NAND等提供了独立的内存技术设备（Memory Technology Device，MTD）子系统，其上运行YAFFS2、JFFS2、UBIFS等具备擦除和负载均衡能力的文件系统。针对磁盘或者Flash设备的FAT、EXT4、YAFFS2、JFFS2、UBIFS等文件系统定义了文件和目录在存储介质上的组织。而Linux的虚拟文件系统则统一对它们进行了抽象。图1.5 Linux设备驱动与整个软硬件系统的关系
应用程序可以使用Linux的系统调用接口编程，但也可使用C库函数，出于代码可移植性的目的，后者更值得推荐。C库函数本身也通过系统调用接口而实现，如C库函数fopen（）、fwrite（）、fread（）、fclose（）分别会调用操作系统的API open（）、write（）、read（）、close（）。1.4.3 Linux设备驱动的重点、难点
Linux设备驱动的学习是一项浩繁的工程，包含如下重点、难点。
·编写Linux设备驱动要求工程师有非常好的硬件基础，懂得SRAM、Flash、SDRAM、磁盘的读写方式，UART、I2C、USB等设备的接口以及轮询、中断、DMA的原理，PCI总线的工作方式以及CPU的内存管理单元（MMU）等。
·编写Linux设备驱动要求工程师有非常好的C语言基础，能灵活地运用C语言的结构体、指针、函数指针及内存动态申请和释放等。
·编写Linux设备驱动要求工程师有一定的Linux内核基础，虽然并不要求工程师对内核各个部分有深入的研究，但至少要明白驱动与内核的接口。尤其是对于块设备、网络设备、Flash设备、串口设备等复杂设备，内核定义的驱动体系结构本身就非常复杂。
·编写Linux设备驱动要求工程师有非常好的多任务并发控制和同步的基础，因为在驱动中会大量使用自旋锁、互斥、信号量、等待队列等并发与同步机制。
上述经验值的获取并非朝夕之事，因此要求我们有足够的学习恒心和毅力。对这些重点、难点，本书都会在相应章节进行讲解。
动手实践永远是学习任何软件开发的最好方法，学习Linux设备驱动也不例外。因此，本书使用的是通过QEMU模拟的ARM vexpress电路板，本书中的所有实例均可在该“电路板”上直接执行。
阅读经典书籍和参与Linux社区的讨论也是非常好的学习方法。Linux内核源代码中包含了一个Documentation目录，其中包含了一批内核设计文档，全部是文本文件。很遗憾，这些文档的组织不太好，内容也不够细致。
学习Linux设备驱动的一个注意事项是要避免管中窥豹、只见树木不见森林，因为各类Linux设备驱动都从属于一个Linux设备驱动的架构，单纯而片面地学习几个函数、几个数据结构是不可能理清驱动中各组成部分之间的关系的。因此，Linux驱动的分析方法是点面结合，将对函数和数据结构的理解放在整体架构的背景之中。这是本书各章节讲解驱动的方法。1.5 Linux设备驱动的开发环境构建1.5.1 PC上的Linux环境
本书配套资源提供了一个Ubuntu的VirtualBox虚拟机映像，该虚拟机上安装了本书涉及的所有源代码、工具链和各种开发工具，读者无须再安装和配置任何环境。该虚拟机可运行于Windows、Ubuntu等操作系统中，运行方法如下。
1）安装VirtualBox。
如果主机为Windows系统，请安装VirtualBox WIN版本：
VirtualBox-4.3.20-96997-Win.exe
如果主机为Ubuntu系统，请安装VirtualBox DEB版本：
virtualbox-4.3_4.3.20-96996~Ubuntu~precise_i386.deb
2）安装VirtualBox extension。
Oracle_VM_VirtualBox_Extension_Pack-4.3.20-96996.vbox-extpack
3）准备虚拟机镜像。
解压Baohua_Linux.vmdk.rar为Baohua_Linux.vmdk
4）新建虚拟机。
运行第1步安装的Oracle VM VirtualBox，单击“新建（N）”图标创建虚拟机，“类型”选择Linux，“版本”选择Ubuntu（32 bit），名称可以取名为“linux-training”，如图1.6所示。图1.6 新建Ubuntu 32位虚拟机
单击“下一步（N）”按钮，设置内存，如图1.7所示。图1.7 设置虚拟机的内存
继续单击“下一步（N）”按钮。设置硬盘，注意选择“使用已有的虚拟硬盘文件（U）”单选按钮，虚拟硬盘文件是第3步解压之后的“Baohua_Linux.vmdk”，如图1.8所示。图1.8 设置虚拟机硬盘镜像
最后，单击“创建”按钮以完成虚拟机的构建工作。
5）启动虚拟机。
在VirtualBox上选择先前创建的“linux-training”虚拟机并单击“启动”图标，如图1.9所示。图1.9 启动虚拟机
虚拟机的账号和密码都是“baohua”，如果要执行特权命令，sudo密码也是“baohua”，如图1.10所示。图1.10 虚拟机登录界面
本书配套的Ubuntu版本是14.04，但是内核版本升级到了4.0-rc1，以保证和本书讲解内容的版本一致。
注意事项：
如果发现VirtualBox不稳定或者有兼容性问题（经过测试，有极少数PC存在此问题），也可以安装VMware（Baohua_Linux.vmdk也是支持VMware的），VMware内的硬盘格式选SATA。可以通过扫描本书微信二维码获取一套虚拟机。1.5.2 QEMU实验平台
QEMU模拟了vexpress Cortex-A9 SMP四核处理器开发板，板上集成了Flash、SD、I2C、LCD等。ARM公司的Versatile Express系列开发平台提供了超快的环境，用于为下一代片上系统设计方案建立原型，比如Cortex-A9 Quad Core。
在http://www.arm.com/zh/products/tools/development-boards/versatile-express/index.php上可以发现更多关于Versatile Express系列开发平台的细节。
本书配套虚拟机映像中已经安装好了工具链，包含arm-linux-gnueabihf-gcc和arm-linux-gnueabi-gcc两个版本。
Linux内核在/home/baohua/develop/linux目录中，在该目录下面，包含内核编译脚本：export ARCH=armexport CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-make LDDD3_vexpress_defconf igmake zImage -j8make modules -j8make dtbscp arch/arm/boot/zImage extra/cp arch/arm/boot/dts/*ca9.dtb extra/cp .conf ig extra/
由此可见，我们用的默认内核配置文件是LDDD3_vexpress_defconfig。上述脚本也会自动将编译好的zImage和dtbs复制到extra目录中。
extra目录下的vexpress.img是一张虚拟的SD卡，将作为根文件系统的存放介质。它能以loop的形式被挂载（mount），譬如在/home/baohua/develop/linux目录下运行。sudo mount -o loop,offset=$((2048*512)) extra/vexpress.img extra/img
可以把vexpress.img的根文件系统分区挂载到extra/img，这样我们可以在目标板的根文件系统中放置我们喜欢的内容。
/home/baohua/develop/linux目录下面有个编译模块的脚本module.sh，它会自动编译内核模块并安装到vexpress.img中，其内容如下：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- modulessudo mount -o loop,offset=$((2048*512)) extra/vexpress.img extra/imgsudo make ARCH=arm modules_install INSTALL_MOD_PATH=extra/imgsudo umount extra/img
运行extra下面的run-nolcd.sh可以启动一个不含LCD的ARM Linux。run-nolcd.sh的内容为qemu-system-arm-nographic-sd vexpress.img-M vexpress-a9-m 512M-kernel zImage-dtb vexpress-v2p-ca9.dtb-smp 4-append"init=/linuxrc root=/dev/mmcblk0p1 rw rootwait earlyprintk console=ttyAMA0"2>/dev/null，运行结果为：baohua@baohua-VirtualBox:~/develop/linux/extra$ ./run-nolcd.sh Uncompressing Linux... done, booting the kernel.Booting Linux on physical CPU 0x0Initializing cgroup subsys cpusetLinux version 3.16.0+ (baohua@baohua-VirtualBox) (gcc version 4.7.3 (Ubuntu/ Linaro 4.7.3-12ubuntu1) ) #3 SMP Mon Dec 1 16:53:04 CST 2014CPU: ARMv7 Processor [410fc090] revision 0 (ARMv7), cr=10c53c7dCPU: PIPT / VIPT nonaliasing data cache, VIPT aliasing instruction cacheMachine model: V2P-CA9bootconsole [earlycon0] enabledMemory policy: Data cache writeallocPERCPU: Embedded 7 pages/cpu @9fbcd000 s7232 r8192 d13248 u32768Built 1 zonelists in Zone order, mobility grouping on. Total pages: 130048Kernel command line: init=/linuxrc root=/dev/mmcblk0p1 rw rootwait earlyprintk console=ttyAMA0PID hash table entries: 2048 (order: 1, 8192 bytes)Dentry cache hash table entries: 65536 (order: 6, 262144 bytes)Inode-cache hash table entries: 32768 (order: 5, 131072 bytes)Memory: 513088K/524288K available (4583K kernel code, 188K rwdata, 1292K rodata, 247K init, 149K bss, 11200K reserved)Virtual kernel memory layout: vector : 0xffff0000 - 0xffff1000 ( 4 kB) fixmap : 0xffc00000 - 0xffe00000 (2048 kB) vmalloc : 0xa0800000 - 0xff000000 (1512 MB) lowmem : 0x80000000 - 0xa0000000 ( 512 MB) modules : 0x7f000000 - 0x80000000 ( 16 MB) .text : 0x80008000 - 0x805c502c (5877 kB) .init : 0x805c6000 - 0x80603c40 ( 248 kB) .data : 0x80604000 - 0x80633100 ( 189 kB) .bss : 0x80633108 - 0x806588a8 ( 150 kB)SLUB: HWalign=64, Order=0-3, MinObjects=0, CPUs=4, Nodes=1Hierarchical RCU implementation. RCU restricting CPUs from NR_CPUS=8 to nr_cpu_ids=4.RCU: Adjusting geometry for rcu_fanout_leaf=16, nr_cpu_ids=4NR_IRQS:16 nr_irqs:16 16L2C: platform modifies aux control register: 0x02020000 -> 0x02420000L2C: device tree omits to specify unified cacheL2C: DT/platform modifies aux control register: 0x02020000 -> 0x02420000L2C-310 enabling early BRESP for Cortex-A9L2C-310 full line of zeros enabled for Cortex-A9L2C-310 dynamic clock gating disabled, standby mode disabledL2C-310 cache controller enabled, 8 ways, 128 kBL2C-310: CACHE_ID 0x410000c8, AUX_CTRL 0x46420001smp_twd: clock not found -2sched_clock: 32 bits at 24MHz, resolution 41ns, wraps every 178956969942nsConsole: colour dummy device 80x30…
运行extra下面的run-lcd.sh可以启动一个含LCD的ARM Linux，运行结果如图1.11所示。图1.11 含LCD的ARM Linux
除了QEMU模拟的ARM电路板以外，本书配套的Ubuntu中还包含一些直接可以在Ubuntu上运行的案例，譬如/home/baohua/develop/training/kernel中就包含了globalfifo、globalmem等，这些目录的源代码都包含了Makefile，在其中直接make，生成的.ko可以直接在Ubuntu上运行。1.5.3 源代码阅读和编辑
源代码是学习Linux的权威资料，在Windows上阅读Linux源代码的最佳工具是Source Insight，在其中建立一个工程，并将Linux的所有源代码加入该工程，同步这个工程之后，我们将能非常便捷地在代码之间进行关联阅读，如图1.12所示。
类似http://lxr.free-electrons.com/、http://lxr.oss.org.cn/这样的网站提供了Linux内核源代码的交叉索引，在其中输入Linux内核中的函数、数据结构或变量的名称就可以直接得到以超链接形式给出的定义和引用它的所有位置。还有一些网站也提供了Linux内核中函数、变量和数据结构的搜索功能，在google中搜索“linux identifier search”可得。图1.12 在Source Insight中阅读Linux源代码
在Linux主机上阅读和编辑Linux源码的常用方式是vim+cscope或者vim+ctags，vim是一个文本编辑器，而cscope和ctags则可建立代码索引，建议读者尽快使用基于文本界面全键盘操作的vim编辑器，如图1.13所示。图1.13 vim编辑器1.6 设备驱动Hello World：LED驱动1.6.1 无操作系统时的LED驱动
在嵌入式系统的设计中，LED一般直接由CPU的GPIO（通用可编程I/O）口控制。GPIO一般由两组寄存器控制，即一组控制寄存器和一组数据寄存器。控制寄存器可设置GPIO口的工作方式为输入或者输出。当引脚被设置为输出时，向数据寄存器的对应位写入1和0会分别在引脚上产生高电平和低电平；当引脚设置为输入时，读取数据寄存器的对应位可获得引脚上的电平为高或低。
在本例子中，我们屏蔽具体CPU的差异，假设在GPIO_REG_CTRL物理地址中控制寄存器处的第n位写入1可设置GPIO口为输出，在地址GPIO_REG_DATA物理地址中数据寄存器的第n位写入1或0可在引脚上产生高或低电平，则在无操作系统的情况下，设备驱动见代码清单1.3。
代码清单1.3 无操作系统时的LED驱动 1#define reg_gpio_ctrl *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL)) 2#define reg_gpio_data *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_DATA)) 3/* 初始化LED */ 4void LightInit(void) 5{ 6 reg_gpio_ctrl |= (1 << n); /* 设置GPIO为输出 */ 7} 8 9/* 点亮LED */10void LightOn(void)11{12 reg_gpio_data |= (1 << n); /* 在GPIO上输出高电平 */13}1415/* 熄灭LED */16void LightOff(void)17{18 reg_gpio_data &= ～(1 << n); /* 在GPIO上输出低电平 */19}
上述程序中的LightInit（）、LightOn（）、LightOff（）都直接作为驱动提供给应用程序的外部接口函数。程序中ToVirtual（）的作用是当系统启动了硬件MMU之后，根据物理地址和虚拟地址的映射关系，将寄存器的物理地址转化为虚拟地址。1.6.2 Linux下的LED驱动
在Linux下，可以使用字符设备驱动的框架来编写对应于代码清单1.3的LED设备驱动（这里仅仅是为了方便讲解，内核中实际实现了一个提供sysfs节点的GPIO LED驱动，位于drivers/leds/leds-gpio.c中），操作硬件的LightInit（）、LightOn（）、LightOff（）函数仍然需要，但是，遵循Linux编程的命名习惯，重新将其命名为light_init（）、light_on（）、light_off（）。这些函数将被LED设备驱动中独立于设备并针对内核的接口进行调用，代码清单1.4给出了Linux下的LED驱动，此时读者并不需要能读懂这些代码。
代码清单1.4 Linux操作系统下的LED驱动 1#include .../* 包含内核中的多个头文件 */ 2/* 设备结构体 */ 3struct light_dev { 4 struct cdev cdev; /* 字符设备cdev结构体 */ 5 unsigned char vaule; /* LED亮时为1，熄灭时为0，用户可读写此值 */ 6}; 7struct light_dev *light_devp; 8int light_major = LIGHT_MAJOR; 9MODULE_AUTHOR("Barry Song <21cnbao@gmail.com>"); 10MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); 11/* 打开和关闭函数 */ 12int light_open(struct inode *inode, struct file *filp) 13{ 14 struct light_dev *dev; 15 /* 获得设备结构体指针 */ 16 dev = container_of(inode->i_cdev, struct light_dev, cdev); 17 /* 让设备结构体作为设备的私有信息 */ 18 filp->private_data = dev; 19 return 0; 20} 21int light_release(struct inode *inode, struct file *filp) 22{ 23 return 0; 24} 25/* 读写设备:可以不需要 */ 26ssize_t light_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, 27 loff_t *f_pos) 28{ 29 struct light_dev *dev = filp->private_data; /* 获得设备结构体 */ 30 if (copy_to_user(buf, &(dev->value), 1)) 31 return -EFAULT; 32 return 1; 33} 34ssize_t light_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, 35 loff_t *f_pos) 36{ 37 struct light_dev *dev = filp->private_data; 38 if (copy_from_user(&(dev->value), buf, 1)) 39 return -EFAULT; 40 /* 根据写入的值点亮和熄灭LED */ 41 if (dev->value == 1) 42 light_on(); 43 else 44 light_off(); 45 return 1; 46} 47/* ioctl函数 */ 48int light_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, 49 unsigned long arg) 50{ 51 struct light_dev *dev = filp->private_data; 52 switch (cmd) { 53 case LIGHT_ON: 54 dev->value = 1; 55 light_on(); 56 break; 57 case LIGHT_OFF: 58 dev->value = 0; 59 light_off(); 60 break; 61 default: 62 /* 不能支持的命令 */ 63 return -ENOTTY; 64 } 65 return 0; 66} 67struct file_operations light_fops = { 68 .owner = THIS_MODULE, 69 .read = light_read, 70 .write = light_write, 71 .unlocked_ioct1 = light_ioctl, 72 .open = light_open, 73 .release = light_release, 74}; 75/* 设置字符设备cdev结构体 */ 76static void light_setup_cdev(struct light_dev *dev, int index) 77{ 78 int err, devno = MKDEV(light_major, index); 79 cdev_init(&dev->cdev, &light_fops); 80 dev->cdev.owner = THIS_MODULE; 81 dev->cdev.ops = &light_fops; 82 err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1); 83 if (err) 84 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index); 85} 86/* 模块加载函数 */ 87int light_init(void) 88{ 89 int result; 90 dev_t dev = MKDEV(light_major, 0); 91 /* 申请字符设备号 */ 92 if (light_major) 93 result = register_chrdev_region(dev, 1, "LED"); 94 else { 95 result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "LED"); 96 light_major = MAJOR(dev); 97 } 98 if (result < 0) 99 return result; 100 /* 分配设备结构体的内存 */101 light_devp = kmalloc(sizeof(struct light_dev), GFP_KERNEL); 102 if (!light_devp) {103 result = -ENOMEM; 104 goto fail_malloc; 105 }106 memset(light_devp, 0, sizeof(struct light_dev)); 107 light_setup_cdev(light_devp, 0); 108 light_gpio_init();109 return 0; 110fail_malloc: 111 unregister_chrdev_region(dev, light_devp); 112 return result; 113}114/* 模块卸载函数 */115void light_cleanup(void) 116{117 cdev_del(&light_devp->cdev); /* 删除字符设备结构体 */118 kfree(light_devp); /* 释放在light_init中分配的内存 */119 unregister_chrdev_region(MKDEV(light_major, 0), 1); /* 删除字符设备 */120}121module_init(light_init); 122module_exit(light_cleanup);
上述代码的行数与代码清单1.3已经不能相比了，除了代码清单1.3中的硬件操作函数仍然需要外，代码清单1.4中还包含了大量暂时陌生的元素，如结构体file_operations、cdev，Linux内核模块声明用的MODULE_AUTHOR、MODULE_LICENSE、module_init、module_exit，以及用于字符设备注册、分配和注销的函数register_chrdev_region（）、alloc_chrdev_region（）、unregister_chrdev_region（）等。我们也不能理解为什么驱动中要包含light_init（）、light_cleanup（）、light_read（）、light_write（）等函数。
此时，我们只需要有一个感性认识，那就是，上述暂时陌生的元素都是Linux内核为字符设备定义的，以实现驱动与内核接口而定义的。Linux对各类设备的驱动都定义了类似的数据结构和函数。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]