深入Linux设备驱动程序内核机制

　　内 容 简 介这是一本系统阐述Linux设备驱动程序技术内幕的专业书籍，它的侧重点不是讨论如何在Linux系统下编写设备驱动程序，而是要告诉读者隐藏在这些设备驱动程序背后的那些内核机制及原理。作者通过对Linux内核源码抽丝剥茧般的解读，再辅之以精心设计的大量图片，使读者在阅读完本书后对驱动程序前台所展现出来的那些行为特点变得豁然开朗。本书涵盖了编写设备驱动程序所需要的几乎所有的内核设施，比如内核模块、中断处理、互斥与同步、内存分配、延迟操作、时间管理，以及新设备驱动模型等内容。为了避免读者迷失在某一技术细节的讨论当中，本书在一个比较高的层面上进行展开，以一种先框架再细节的结构安排极大地简化了读者的阅读与学习。本书不仅适合那些在Linux系统下从事设备驱动程序开发的专业技术人员阅读，也同样适合有志于从事Linux设备驱动程序开发或对Linux设备驱动程序及Linux内核感兴趣的在校学生等阅读。对于没有任何Linux设备驱动程序开发经验的初学者，建议先阅读那些讨论“如何”在Linux系统下编写设备驱动程序的入门书籍，然后再阅读本书来理解“为什么”要以这样或者那样的方式来编写设备驱动程序。

　　陈学松，曾任职于Intel，Marvell等半导体公司，9年以上Linux内核、设备驱动程序、嵌入式LinuxBSP等领域的开发经验。专注于Linux系统内核、BIOS、文件系统及软件虚拟化等技术，曾模仿Linux内核编写过微型操作系统。工作之余喜欢以文章的形式将自己的学习心得进行总结，善于运用图形等元素将复杂概念具体化，梳理脉络而不拘于细节。05年在IBMLinux开发者论坛所发表的《解析Linux中的VFS文件系统机制》则堪称作者这一写作特色的代表之作，该文发表后曾被多家技术网站、论坛及个人博客所转载。喜欢游泳，四肢发达，胸无城府。古文功底颇深，少时涉猎甚广，现在则主要阅读一些历史题材类的书籍，熟读《三国志》。目前任职于AMD上海研发中心，主要从事Linux显卡驱动等领域的研发工作。

目  录第1章  内核模块      11.1  内核模块的文件格式   21.2  EXPORT_SYMBOL的内核实现 51.3  模块的加载过程   81.3.1  sys_init_module（第一部分） 91.3.2  structmodule     91.3.3 load_module     131.3.4  sys_init_module（第二部分） 491.3.5  模块的卸载      541.4  本章小结      55第2章  字符设备驱动程序      572.1  应用程序与设备驱动程序互动实例   582.2  structfile_operations    622.3  字符设备的内核抽象   632.4  设备号的构成与分配   652.4.1  设备号的构成   652.4.2  设备号的分配与管理      662.5  字符设备的注册   712.6  设备文件节点的生成   742.7  字符设备文件的打开操作   772.8  本章小结      85第3章  分配内存      873.1  物理内存的管理   873.1.1  内存节点node   873.1.2  内存区域zone   883.1.3  内存页      893.2  页面分配器（pageallocator）    903.2.1 gfp_mask    913.2.2  alloc_pages 953.2.3 __get_free_pages      963.2.4  get_zeroed_page 973.2.5 __get_dma_pages     973.3  slab分配器（slaballocator）      983.3.1  管理slab的数据结构      993.3.2  kmalloc与kzalloc     1053.3.3 kmem_cache_create与kmem_cache_alloc     1083.4  内存池（mempool）   1103.5  虚拟内存的管理   1113.5.1  内核虚拟地址空间构成   1113.5.2  vmalloc与vfree 1123.5.3 ioremap      1153.6  per-CPU变量      1153.6.1  静态per-CPU变量的声明与定义   1163.6.2  静态per-CPU变量的链接脚本      1173.6.3 setup_per_cpu_areas函数 1183.6.4  使用per-CPU变量   1213.7  本章小结      125第4章  互斥与同步    1274.1  并发的来源   1274.2  local_irq_enable与local_irq_disable   1284.3  自旋锁   1294.3.1 spin_lock    1304.3.2  spin_lock的变体      1334.3.3  单处理器上的spin_lock函数 1364.3.4  读取者与写入者自旋锁rwlock      1374.4  信号量（semaphore） 1414.4.1  信号量的定义与初始化   1414.4.2  DOWN操作      1424.4.3  UP操作     1454.4.4  读取者与写入者信号量rwsem      1464.5  互斥锁mutex      1484.5.1  互斥锁的定义与初始化   1484.5.2  互斥锁的DOWN操作     1494.5.3  互斥锁的UP操作   1504.6  顺序锁seqlock     1524.7 RCU      1554.7.1  读取者的RCU临界区     1564.7.2  写入者的RCU操作 1564.7.3  RCU使用的特点      1574.8  原子变量与位操作      1594.9  等待队列      1624.9.1  等待队列头wait_queue_head_t      1624.9.2  等待队列的节点      1634.9.3  等待队列的应用      1644.10  完成接口completion  1644.11  本章小结     168第5章  中断处理      1695.1  中断的硬件框架   1695.2  PIC与软件中断号      1705.3  通用的中断处理函数   1715.4  do_IRQ函数 1725.5  structirq_chip      1785.6  structirqaction      1795.7 irq_set_handler     1805.8 handle_irq_event   1845.9 request_irq    1865.10  中断处理的irq_thread机制      1905.11 free_irq      1915.12 SOFTIRQ    1925.13  irq的自动探测   1965.14  中断处理例程    2005.15  中断共享    2015.16  本章小结    202第6章  延迟操作      2036.1 tasklet    2036.1.1  tasklet机制初始化    2046.1.2  提交一个tasklet2056.1.3 tasklet_action     2096.1.4  tasklet的其他操作    2126.2  工作队列workqueue   2146.2.1  数据结构   2146.2.2 create_singlethread_workqueue和create_workqueue     2166.2.3  工人线程worker_thread   2196.2.4 destroy_workqueue    2216.2.5  提交工作节点queue_work     2246.2.6  内核创建的工作队列      2296.3  本章小结      230第7章  设备文件的高级操作    2317.1  ioctl文件操作      2317.1.1  ioctl的系统调用      2317.1.2  ioctl的命令编码      2357.1.3  copy_from_user和copy_to_user     2387.2  字符设备的I/O模型   2437.3  同步阻塞型I/O    2447.3.1 wait_event_interruptible   2447.3.2 wake_up_interruptible      2467.4  同步非阻塞型I/O2507.5  异步阻塞型I/O    2517.6  异步非阻塞型I/O2587.7  驱动程序的fsync例程2597.8  fasync例程   2607.9  llseek例程    2697.10  访问权能    2727.11  本章小结     273第8章  时间管理      2748.1 jiffies     2748.1.1  时间比较   2778.1.2  时间转换   2788.2  延时操作      2798.2.1  长延时      2808.2.2  短延时      2858.3  内核定时器   2868.3.1 init_timer   2898.3.2  add_timer  2898.3.3  del_timer和del_timer_sync    2938.4  本章小结      293第9章 Linux设备驱动模型     2959.1  sysfs文件系统      2959.2  kobject和kset     2989.2.1 kobject      2989.2.2  kobject的类型属性   3059.2.3 kset     3089.2.4  热插拔中的uevent和call_usermodehelper    3119.2.5  实例源码   3209.3  总线、设备与驱动      3289.3.1  总线及其注册   3289.3.2  总线的属性      3359.3.3  设备与驱动的绑定   3389.3.4  设备   3399.3.5  驱动   3489.4 class      3519.5  本章小结      355第10章  内存映射与DMA      35610.1  设备缓存与设备内存 35610.2  mmap  35610.2.1  structvm_area_struct     35710.2.2  用户空间虚拟地址布局  35810.2.3  mmap系统调用过程      36210.2.4  驱动程序中mmap方法的实现     36810.2.5  mmap使用范例      37310.2.6  munmap  38310.3  DMA  38410.3.1  内核中的DMA层  38410.3.2  物理地址与总线地址     38610.3.3  dma_set_mask 38710.3.4  DMA映射      38810.3.5  回弹缓冲区（bouncebuffer）      40110.3.6  DMA池   40110.4  本章小结    405第11章  块设备驱动程序  40711.1  块子系统初始化 40811.2  ramdisk源码实例      41011.2.1  make_request版本的RAMDISK源码  41111.2.2  request版本的RAMDISK源码    41611.2.3  ramdisk的使用      42011.3  块设备号的注册与管理     42211.4 block_device      42411.5  structgendisk      42511.6  structhd_struct    42811.7  用alloc_disk分配gendisk对象42811.8  向系统添加一个块设备add_disk    43011.9 block_device_operations    43911.10  块设备文件的打开   44011.11 blk_init_queue   44811.12 blk_queue_make_request  45911.13  向队列提交请求      46011.14  块设备的请求处理函数   46611.15  bio结构     46711.16  本章小结   472第12章  网络设备驱动程序      47312.1  net_device  47512.2  网络设备的注册 48812.3  设备方法    49212.3.1  设备初始化     49412.3.2  设备接口的打开与停止  49512.3.3  数据包的发送  49512.3.4  网络数据包发送过程中的流控机制     50012.3.5  传输超时（watchdogtimeout）    50312.3.6  数据包的接收  50612.4  套接字缓冲区    51012.5  中断处理    51812.6  NAPI  52012.7  本章小结    522