Linux设备驱动开发

　　《Linux设备驱动开发》本书详细阐述了与Linux设备驱动开发相关的基本解决方案，主要包括Linux内核概念、regmap API应用、MFD子系统和syscon API、通用时钟框架、ALSA SoC框架、V4L2和视频采集、集成V4L2异步和媒体控制器框架、V4L2 API、Linux内核电源管理、PCI设备驱动、NVMEM框架、看门狗设备驱动、Linux内核调试技巧和**实践等内容。此外，本书还提供了相应的示例、代码，以帮助读者进一步理解相关方案的实现过程。 本书适合作为高等院校计算机及相关专业的教材和教学参考书，也可作为相关开发人员的自学用书和参考手册。 本书详细阐述了与Linux设备驱动开发相关的基本解决方案，主要包括Linux内核概念、regmap API应用、MFD子系统和syscon API、通用时钟框架、ALSA SoC框架、V4L2和视频采集、集成V4L2异步和媒体控制器框架、V4L2 API、Linux内核电源管理、PCI设备驱动、NVMEM框架、看门狗设备驱动、Linux内核调试技巧和**实践等内容。此外，本书还提供了相应的示例、代码，以帮助读者进一步理解相关方案的实现过程。 本书适合作为高等院校计算机及相关专业的教材和教学参考书，也可作为相关开发人员的自学用书和参考手册。

　　约翰·马德奥现居住在法国巴黎，他是一位嵌入式Linux和内核工程师。他的主要工作包括为物联网、自动化、运输、医疗保健、能源和军事等领域的公司开发设备驱动程序和板级支持包（Board Support Package，BSP）。John是LABCSMART公司的创始人兼首席顾问，该公司可为嵌入式Linux和Linux内核工程提供培训和服务。他是一位开源和嵌入式系统爱好者，始终坚信只有分享知识，我们才能学到更多。

第1篇  用于嵌入式设备驱动程序开发的内核核心框架
第1章  嵌入式开发人员需要掌握的Linux内核概念 3
1.1  技术要求 3
1.2  内核锁API和共享对象 3
1.2.1  自旋锁 4
1.2.2  禁用中断与仅禁用抢占 8
1.2.3  互斥锁 8
1.2.4  try-lock方法 11
1.3  Linux内核中的等待、感知和阻塞 13
1.3.1  等待活动完成或状态改变 13
1.3.2  Linux内核等待队列 15
1.4  工作延迟机制 19
1.4.1  softIRQ 20
1.4.2  关于ksoftirqd 24
1.4.3  tasklet 25
1.4.4  工作队列 28
1.4.5  内核共享队列 31
1.4.6  新的工作队列 32
1.4.7  并发管理的工作队列 33
1.5  Linux内核中断管理 37
1.5.1  中断的状态 37
1.5.2  中断处理流程 38
1.5.3  设计中断处理程序 40
1.5.4  中断的标志 42
1.5.5  中断的返回值 44
1.5.6  关于中断的一些注意事项 45
1.5.7  上半部和下半部的概念 46
1.5.8  线程中断处理程序 48
1.5.9  请求一个上下文中断 53
1.5.10  使用工作队列延迟下半部 55
1.5.11  从中断处理程序中锁定 58
1.6  小结 61
第2章  regmap API应用 63
2.1  技术要求 63
2.2  regmap及其数据结构 64
2.2.1  struct regmap_config结构体中的字段 65
2.2.2  访问设备寄存器 69
2.2.3  一次读/写多个寄存器 71
2.2.4  更新寄存器中的位 72
2.3  regmap和IRQ管理 73
2.3.1  Linux内核IRQ管理的结构 73
2.3.2  创建映射 74
2.3.3  struct irq_domain_ops 76
2.3.4  irq_domain_ops.map() 77
2.3.5  irq_domain_ops.xlate() 77
2.4  链接IRQ 78
2.4.1  链式中断 78
2.4.2  嵌套中断 83
2.4.3  irqchip和gpiolib API—新一代 85
2.4.4  基于gpiochip的链式IRQ芯片 87
2.4.5  基于gpiochip的嵌套IRQ芯片 89
2.5  regmap IRQ API和数据结构 91
2.5.1  regmap IRQ数据结构 91
2.5.2  regmap IRQ API 95
2.5.3  regmap IRQ API示例 98
2.6  小结 102
第3章  深入研究MFD子系统和syscon API 103
3.1  技术要求 103
3.2  MFD子系统和syscon API 104
3.2.1  da9055设备驱动程序示例 104
3.2.2  max8925设备驱动程序示例 113
3.3  MFD设备的设备树绑定 116
3.4  了解syscon和simple-mfd 119
3.4.1  syscon API 119
3.4.2  simple-mfd 123
3.5  小结 125
第4章  通用时钟框架 127
4.1  技术要求 128
4.2  CCF数据结构和接口 128
4.2.1  了解struct clk_hw及其依赖项 129
4.2.2  注册/取消注册时钟提供者 131
4.2.3  将时钟公开给使用者 135
4.2.4  时钟提供者设备树节点及其相关机制 136
4.2.5  了解of_parse_phandle_with_args() API 138
4.2.6  了解__of_clk_get_from_provider() API 140
4.2.7  时钟解码回调 141
4.3  编写时钟提供者驱动程序 145
4.3.1  有关时钟提供者驱动程序的基础知识 145
4.3.2  提供时钟操作 149
4.3.3  clk_hw.init.flags中的时钟标志 152
4.3.4  固定频率时钟案例研究及其操作 154
4.3.5  通用简化注意事项 156
4.3.6  固定频率时钟设备绑定 158
4.3.7  PWM时钟 159
4.3.8  固定倍频时钟驱动程序及其操作 160
4.3.9  固定倍频时钟的设备树绑定 162
4.3.10  门控时钟及其操作 162
4.3.11  基于I2C/SPI的门控时钟 164
4.3.12  GPIO门控时钟 165
4.3.13  多选一时钟及其操作 165
4.3.14  基于I2C/SPI的多选一时钟 170
4.3.15  GPIO多选一时钟 170
4.3.16  分频器时钟及其操作 172
4.3.17  复合时钟及其操作 176
4.3.18  综合概述 177
4.4  时钟使用者API 179
4.4.1  获取和释放时钟 180
4.4.2  准备/取消准备时钟 180
4.4.3  启用/禁用 181
4.4.4  频率函数 181
4.4.5  父函数 182
4.4.6  综合概述 182
4.5  小结 182
第2篇  嵌入式Linux系统中的多媒体和节能
第5章  ALSA SoC框架—利用编解码器和平台类驱动程序 185
5.1  技术要求 186
5.2  ASoC简介 186
5.2.1  ASoC数字音频接口 187
5.2.2  ASoC子元素 187
5.3  编写编解码器类驱动程序 189
5.3.1  编解码器驱动程序的实例结构 190
5.3.2  编解码器DAI和PCM配置 192
5.3.3  DAI操作 193
5.3.4  采集和回放硬件配置 196
5.3.5  控件的概念 197
5.3.6  控件命名约定 199
5.3.7  控制元数据 200
5.3.8  定义kcontrol 200
5.3.9  设置一个简单开关 202
5.3.10  设置带有音量级别的开关 203
5.3.11  立体声控件 203
5.3.12　带音量级别的立体声控件 203
5.3.13  混音器控件 204
5.3.14  定义有多个输入的控件 204
5.4  DAPM概念 205
5.4.1  关于widget 205
5.4.2  定义widget 207
5.4.3  编解码域定义 207
5.4.4  定义平台域widget 208
5.4.5  定义音频路径域widget 209
5.4.6  定义音频流域 211
5.4.7  路径的概念—widget之间的连接器 213
5.4.8  路由的概念—widget互连 214
5.4.9  定义DAPM kcontrol 215
5.4.10  创建widget和路由 217
5.5  编解码器组件注册 222
5.6  编写平台类驱动程序 224
5.6.1  CPU DAI驱动程序 225
5.6.2  平台DMA驱动程序 226
5.6.3  音频DMA接口 227
5.6.4  PCM硬件配置 230
5.7  小结 233
第6章  ALSA SoC框架—深入了解机器类驱动程序 235
6.1  技术要求 235
6.2  机器类驱动程序介绍 236
6.2.1  机器类驱动程序的开发流程 236
6.2.2  DAI链接 237
6.2.3  获取CPU和编解码器节点 239
6.3  机器路由 241
6.3.1  编解码器引脚 241
6.3.2  板卡接口 242
6.3.3  机器路由 243
6.3.4  设备树路由 243
6.3.5  静态路由 244
6.4  时钟和格式注意事项 245
6.4.1  时钟和格式设置辅助函数 245
6.4.2  格式 246
6.4.3  时钟源 247
6.4.4  时钟分频器 247
6.4.5  时钟和格式设置的典型实现 247
6.5  声卡注册 249
6.6  利用simple-card机器驱动程序 252
6.6.1  simple-audio机器驱动程序 252
6.6.2  无编解码器声卡 253
6.7  小结 254
第7章  V4L2和视频采集设备驱动程序揭秘 255
7.1  技术要求 255
7.2  框架架构和主要数据结构 255
7.2.1  V4L2架构简介 256
7.2.2  初始化和注册V4L2设备 257
7.3  桥接视频设备驱动程序 258
7.3.1  struct video_device结构体 259
7.3.2  初始化和注册视频设备 262
7.3.3  视频设备文件操作 264
7.3.4  V4L2 ioctl处理 267
7.3.5  videobuf2接口和API 269
7.3.6  缓冲区的概念 269
7.3.7  平面的概念 271
7.3.8  队列的概念 272
7.3.9  与特定驱动程序相关的流传输回调函数 274
7.3.10  初始化和释放vb2队列 277
7.4  关于子设备 278
7.4.1  子设备数据结构体 279
7.4.2  子设备初始化 282
7.4.3  子设备操作 284
7.4.4  核心操作结构 285
7.4.5  视频操作结构 286
7.4.6  传感器操作结构 287
7.4.7  调用子设备操作 288
7.4.8  子设备的注册和注销方式 289
7.5  V4L2控件基础结构 290
7.5.1  标准控件对象 290
7.5.2  控件处理程序 292
7.5.3  摄像头传感器驱动程序示例 294
7.5.4  关于控件继承 297
7.6  小结 297
第8章  集成V4L2异步和媒体控制器框架 299
8.1  技术要求 299
8.2  V4L2异步接口和图绑定的概念 299
8.2.1  图绑定 300
8.2.2  端口和端点表示 300
8.2.3  端点链接 301
8.2.4  V4L2异步和面向图的API 302
8.2.5  从设备树API到通用fwnode图API 302
8.2.6  V4L2固件节点API 309
8.2.7  V4L2 fwnode或媒体总线类型 311
8.2.8  BT656和并行总线 312
8.2.9  MIPI CSI-2总线 313
8.2.10  CPP2和MIPI CSI-1总线 314
8.2.11  总线猜测 315
8.2.12  V4L2异步模式 315
8.2.13  异步模式工作原理 318
8.2.14  异步桥接和子设备探测示例 321
8.3  Linux媒体控制器框架 325
8.3.1  媒体控制器抽象模型 325
8.3.2  V4L2设备抽象 327
8.3.3  媒体控制器数据结构 328
8.3.4  在驱动程序中集成媒体控制器支持 333
8.3.5  初始化并注册接口和实体 334
8.3.6  媒体实体操作 335
8.3.7  媒体总线的概念 335
8.3.8  注册媒体设备 340
8.3.9  来自用户空间的媒体控制器 341
8.3.10  使用media-ctl 341
8.3.11  带有OV2680的WaRP7示例 344
8.4  小结 351
第9章  从用户空间利用V4L2 API 353
9.1  技术要求 353
9.2  从用户空间看V4L2 353
9.2.1  V4L2用户空间API 353
9.2.2  常用ioctl命令 354
9.2.3  在用户空间中使用V4L2 API的示例 356
9.3  视频设备打开和属性管理 357
9.3.1  打开和关闭设备 357
9.3.2  查询设备功能 357
9.4  缓冲区管理 359
9.4.1  图像（缓冲区）格式 360
9.4.2  请求缓冲区 364
9.4.3  请求用户指针缓冲区 364
9.4.4  请求内存可映射缓冲区 366
9.4.5  请求DMABUF缓冲区 367
9.4.6  请求读/写I/O内存 369
9.4.7  将缓冲区加入队列并启用流传输 369
9.4.8  主缓冲区的概念 370
9.4.9  将用户指针缓冲区加入队列 370
9.4.10  将内存可映射缓冲区加入队列 371
9.4.11  将DMABUF缓冲区加入队列 371
9.4.12  启用流传输 372
9.4.13  将缓冲区移出队列 373
9.4.14  将内存映射缓冲区移出队列 373
9.4.15  将用户指针缓冲区移出队列 375
9.4.16  读/写I/O 376
9.5  V4L2用户空间工具 376
9.5.1  关于v4l2-ctl 376
9.5.2  列出视频设备及其功能 377
9.5.3  更改设备属性 377
9.5.4  设置像素格式、分辨率和帧速率 379
9.5.5  采集帧和流传输 380
9.6  在用户空间中调试V4L2 382
9.6.1  启用框架调试 382
9.6.2  V4L2合规性驱动程序测试 384
9.7  小结 385
第10章  Linux内核电源管理 387
10.1  技术要求 387
10.2  基于Linux系统的电源管理概念 388
10.2.1  运行时电源管理 389
10.2.2  动态电源管理接口 389
10.3  主要电源管理框架详解 389
10.3.1  CPU Idle框架 389
10.3.2  CPUFreq框架 392
10.3.3  Thermal框架 394
10.4  系统电源管理休眠状态 395
10.4.1  挂起到空闲 395
10.4.2  通电待机 396
10.4.3  挂起到内存 396
10.4.4  挂起到磁盘 397
10.5  为设备驱动程序添加电源管理功能 399
10.5.1  设备和电源管理操作数据结构 399
10.5.2  实现运行时电源管理功能 401
10.5.3  驱动程序中的运行时电源管理 402
10.5.4  运行时电源管理的同步和异步操作 404
10.5.5  自动挂起 404
10.6  综合应用 405
10.6.1  probe函数中的电源管理机制 405
10.6.2  读取函数中的电源管理调用 407
10.6.3  卸载模块时的电源管理方法 409
10.6.4  运行时电源管理回调函数执行的一般规则 410
10.6.5  电源域的概念 410
10.7  系统挂起和恢复顺序 411
10.7.1  挂起阶段 411
10.7.2  恢复阶段 412
10.7.3  实现系统休眠功能 412
10.8  系统唤醒源 415
10.8.1  唤醒源的数据结构 415
10.8.2  使设备成为唤醒源 417
10.8.3  唤醒功能激活实例 418
10.8.4  IRQ处理程序 419
10.8.5  唤醒源和sysfs 421
10.8.6  关于IRQF_NO_SUSPEND标志 422
10.9  小结 422
第3篇  与其他Linux内核子系统保持同步
第11章  编写PCI设备驱动程序 425
11.1  技术要求 425
11.2  PCI总线和接口介绍 426
11.2.1  术语 427
11.2.2  PCI总线枚举、设备配置和寻址 428
11.2.3  设备识别 428
11.2.4  总线枚举 428
11.3  PCI地址空间 432
11.3.1  PCI配置空间 432
11.3.2  PCI I/O地址空间 433
11.3.3  PCI内存地址空间 433
11.4  BAR的概念 433
11.5  中断分配 434
11.5.1  PCI传统INT-X中断 434
11.5.2  基于消息的中断类型 435
11.5.3  MSI机制 436
11.5.4  MSI-X机制 437
11.5.5  传统INTx模拟 437
11.6  Linux Kernel PCI子系统 438
11.7  PCI数据结构 439
11.7.1  实例化PCI设备的结构体 439
11.7.2  用于识别PCI设备的结构体 441
11.7.3  实例化PCI设备驱动程序的结构体 443
11.7.4  注册PCI驱动程序 444
11.8  PCI驱动程序结构体概述 445
11.8.1  启用设备 445
11.8.2  总线控制能力 446
11.8.3  访问配置寄存器 447
11.8.4  访问内存映射I/O资源 448
11.8.5  访问I/O端口资源 451
11.8.6  处理中断 453
11.8.7  传统INTx IRQ分配 455
11.8.8  模拟INTx IRQ调和 457
11.8.9  关于锁定的注意事项 457
11.8.10  关于传统API的简要说明 457
11.9  PCI和直接内存访问 458
11.9.1  关于DMA缓冲区 459
11.9.2  PCI一致DMA映射 460
11.9.3  流式DMA映射 462
11.9.4  单缓冲区映射 462
11.9.5  分散/聚集映射 464
11.10  小结 466
第12章  利用NVMEM框架 467
12.1  技术要求 467
12.2  NVMEM数据结构和API 468
12.2.1  NVMEM硬件抽象数据结构 468
12.2.2  NVMEM设备的运行时配置数据结构 468
12.2.3  NVMEM数据单元的数据结构 470
12.3  编写NVMEM提供者驱动程序 472
12.3.1  NVMEM设备的注册和注销 472
12.3.2  实时时钟设备中的NVMEM存储器 473
12.3.3  DS1307实时时钟驱动程序示例 474
12.3.4  实现NVMEM读/写回调函数 475
12.3.5  NVMEM提供者的设备树绑定 476
12.4  NVMEM使用者驱动程序API 477
12.4.1  NVMEM使用者API 477
12.4.2  用户空间中的NVMEM 478
12.5  小结 480
第13章  看门狗设备驱动程序 481
13.1  技术要求 481
13.2  看门狗数据结构和API 481
13.2.1  表示看门狗设备的结构体 482
13.2.2  表示看门狗信息的结构体 483
13.2.3  表示看门狗操作的结构体 485
13.2.4  注册/注销看门狗设备 486
13.2.5  处理预超时和调控器 488
13.2.6  基于GPIO的看门狗 489
13.3  看门狗用户空间接口 491
13.3.1  启动和停止看门狗 491
13.3.2  发送保持活动的ping 492
13.3.3  获取看门狗的功能和ID 493
13.3.4  设置和获取超时和预超时 493
13.3.5  获取剩余的时间 494
13.3.6  获取（启动/重启）状态 494
13.3.7  看门狗sysfs接口 496
13.3.8  处理预超时事件 497
13.4  小结 497
第14章  Linux内核调试技巧和最佳实践 499
14.1  技术要求 499
14.2  了解Linux内核发布流程 499
14.3  Linux内核开发技巧 501
14.3.1  消息打印 502
14.3.2  内核日志级别 502
14.3.3  内核日志缓冲区 504
14.3.4  添加计时信息 505
14.4  Linux内核跟踪和性能分析 506
14.4.1  使用Ftrace检测代码 506
14.4.2  可用的tracer 508
14.4.3  function tracer 509
14.4.4  function_graph tracer 510
14.4.5  函数过滤器 512
14.4.6  跟踪事件 513
14.4.7  使用Ftrace接口跟踪特定进程 515
14.5  Linux内核调试技巧 516
14.5.1  oops和恐慌分析 516
14.5.2  转储oops跟踪消息 519
14.5.3  使用objdump识别内核模块中的错误代码行 520
14.6  小结 521