推 荐 序 这不是一本单纯的关于Linux设备驱动程序入门的书。它是给有一定的Linux设备驱动程序编写经验并且对众多Linux底层设备驱动内幕机制感兴趣的读者量身定制的。与市面上已经出版的Linux相关方面的图书的不同之处在于，本书并不着重于全面描述Linux内核，也不只是简单地告诉你如何去写一个Linux下的设备驱动程序。它是从设备驱动程序的视角出发，深入到Linux内核去剖析那些和驱动程序实现机制密切相关的技术内幕。比如让你理解为什么在这个地方驱动程序应该使用work queue而不是tasklet，为什么在中断处理例程里应该使用spin_lock而不是mutex_lock……因为只有当你对驱动程序中使用的各种内核实现有了清晰的认识，你才能在日常的工作当中随心所欲地驾驭它们，写出更高性能更安全的代码。知其然，更知其所以然，对于沉迷于技术领域的人而言，这种不断探索的好奇心是对技术工作能长期保持热情的一个基本特质。相对于市面上已经出版的相关书籍而言，本书具有以下两个鲜明的特色： 细节揭秘 目前市场上已经出版的Linux内核和驱动程序方面的书籍，大体上可分为两种。一种是侧重于内核本身，鉴于目前Linux的内核源码已经十分庞大，这些讲解内核的书有些本身非常全面，作者的写作态度也非常严谨，比如Deep Understanding Linux Kernel，还有新近出版的Professional Linux Kernel Architecture，后者几乎涵盖了新版Linux内核中绝大部分重要的构件，但也正因如此，这样的书籍就不可能在与驱动程序相关的机制上留下太多笔墨。另外还有一种是专门讲解Linux驱动方面的书籍，典型的有Linux Device Driver和Essential Linux Device Driver。这些书着重于介绍Linux驱动的基本概念和架构，但是对于想了解更多幕后的技术细节的读者来说，《深入Linux设备驱动程序内核机制》一书可提供更详细的资源和帮助。通常当你想深入理解一些一般书籍没有描述的机制时，你可能会采用在线搜索或查看源码的方式，但有时这不仅费时也未必能得到满意的答案。本书提供了另一途径让你更系统、有效地理解这些内核机制。我相信对于广大忙于在校学习、职场深造或课题攻关的读者来说，本书可提供很多有益的帮助。 图片说理 这本书另外一个很大的特点是，作者大量使用其精心设计的图片来帮助你清晰地理解一些复杂的概念、流程和架构。这在中文版原创的图书中是很难能可贵的，相对而言外文书在这方面做得就要好很多。形象直观的图片胜过大量的文字，也能节省读者大量的时间。可以看到，本书的作者在这一方面做了很大的努力去加以完善，在我看来，这是一个非常好的尝试。本书作者当前正在AMD上海研发中心从事Linux显卡驱动等系统软件方面的研发工作，能在繁忙的工作之余，通过对自己学习和实践经验的总结写下这样一本书，对增进国内读者的 Linux 系统开发能力将起到很大的作用。我相信，如果作者有足够的时间与精力的话，这本书还可以进一步完善，包括在某些技术方面可以有更精细的描述。 AMD图形软件架构师 PMTS 俞辉 2011年8月24日于加拿大 |
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Linux BSP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IBM Linux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 1 1.1 内核模块的文件格式 2 1.2 EXPORT_SYMBOL的内核实现 5 1.3 模块的加载过程 8 1.3.1 sys_init_module（第一部分） 9 1.3.2 struct module 9 1.3.3 load_module 13 1.3.4 sys_init_module（第二部分） 49 1.3.5 模块的卸载 54 1.4 本章小结 55 第2章 字符设备驱动程序 57 2.1 应用程序与设备驱动程序互动实例 58 2.2 struct file_operations 62 2.3 字符设备的内核抽象 63 2.4 设备号的构成与分配 65 2.4.1 设备号的构成 65 2.4.2 设备号的分配与管理 66 2.5 字符设备的注册 71 2.6 设备文件节点的生成 74 2.7 字符设备文件的打开操作 77 2.8 本章小结 85 第3章 分配内存 87 3.1 物理内存的管理 87 3.1.1 内存节点node 87 3.1.2 内存区域zone 88 3.1.3 内存页 89 3.2 页面分配器（page allocator） 90 3.2.1 gfp_mask 91 3.2.2 alloc_pages 95 3.2.3 __get_free_pages 96 3.2.4 get_zeroed_page 97 3.2.5 __get_dma_pages 97 3.3 slab分配器（slab allocator） 98 3.3.1 管理slab的数据结构 99 3.3.2 kmalloc与kzalloc 105 3.3.3 kmem_cache_create与kmem_cache_alloc 108 3.4 内存池（mempool） 110 3.5 虚拟内存的管理 111 3.5.1 内核虚拟地址空间构成 111 3.5.2 vmalloc与vfree 112 3.5.3 ioremap 115 3.6 per-CPU变量 115 3.6.1 静态per-CPU变量的声明与定义 116 3.6.2 静态per-CPU变量的链接脚本 117 3.6.3 setup_per_cpu_areas函数 118 3.6.4 使用per-CPU变量 121 3.7 本章小结 125 第4章 互斥与同步 127 4.1 并发的来源 127 4.2 local_irq_enable与local_irq_disable 128 4.3 自旋锁 129 4.3.1 spin_lock 130 4.3.2 spin_lock的变体 133 4.3.3 单处理器上的spin_lock函数 136 4.3.4 读取者与写入者自旋锁rwlock 137 4.4 信号量（semaphore） 141 4.4.1 信号量的定义与初始化 141 4.4.2 DOWN操作 142 4.4.3 UP操作 145 4.4.4 读取者与写入者信号量rwsem 146 4.5 互斥锁mutex 148 4.5.1 互斥锁的定义与初始化 148 4.5.2 互斥锁的DOWN操作 149 4.5.3 互斥锁的UP操作 150 4.6 顺序锁seqlock 152 4.7 RCU 155 4.7.1 读取者的RCU临界区 156 4.7.2 写入者的RCU操作 156 4.7.3 RCU使用的特点 157 4.8 原子变量与位操作 159 4.9 等待队列 162 4.9.1 等待队列头wait_queue_head_t 162 4.9.2 等待队列的节点 163 4.9.3 等待队列的应用 164 4.10 完成接口completion 164 4.11 本章小结 168 第5章 中断处理 169 5.1 中断的硬件框架 169 5.2 PIC与软件中断号 170 5.3 通用的中断处理函数 171 5.4 do_IRQ函数 172 5.5 struct irq_chip 178 5.6 struct irqaction 179 5.7 irq_set_handler 180 5.8 handle_irq_event 184 5.9 request_irq 186 5.10 中断处理的irq_thread机制 190 5.11 free_irq 191 5.12 SOFTIRQ 192 5.13 irq的自动探测 196 5.14 中断处理例程 200 5.15 中断共享 201 5.16 本章小结 202 第6章 延迟操作 203 6.1 tasklet 203 6.1.1 tasklet机制初始化 204 6.1.2 提交一个tasklet 205 6.1.3 tasklet_action 209 6.1.4 tasklet的其他操作 212 6.2 工作队列work queue 214 6.2.1 数据结构 214 6.2.2 create_singlethread_workqueue和create_workqueue 216 6.2.3 工人线程worker_thread 219 6.2.4 destroy_workqueue 221 6.2.5 提交工作节点queue_work 224 6.2.6 内核创建的工作队列 229 6.3 本章小结 230 第7章 设备文件的高级操作 231 7.1 ioctl文件操作 231 7.1.1 ioctl的系统调用 231 7.1.2 ioctl的命令编码 235 7.1.3 copy_from_user和copy_to_user 238 7.2 字符设备的I/O模型 243 7.3 同步阻塞型I/O 244 7.3.1 wait_event_interruptible 244 7.3.2 wake_up_interruptible 246 7.4 同步非阻塞型I/O 250 7.5 异步阻塞型I/O 251 7.6 异步非阻塞型I/O 258 7.7 驱动程序的fsync例程 259 7.8 fasync例程 260 7.9 llseek例程 269 7.10 访问权能 272 7.11 本章小结 273 第8章 时间管理 274 8.1 jiffies 274 8.1.1 时间比较 277 8.1.2 时间转换 278 8.2 延时操作 279 8.2.1 长延时 280 8.2.2 短延时 285 8.3 内核定时器 286 8.3.1 init_timer 289 8.3.2 add_timer 289 8.3.3 del_timer和del_timer_sync 293 8.4 本章小结 293 第9章 Linux设备驱动模型 295 9.1 sysfs文件系统 295 9.2 kobject和kset 298 9.2.1 kobject 298 9.2.2 kobject的类型属性 305 9.2.3 kset 308 9.2.4 热插拔中的uevent和call_usermodehelper 311 9.2.5 实例源码 320 9.3 总线、设备与驱动 328 9.3.1 总线及其注册 328 9.3.2 总线的属性 335 9.3.3 设备与驱动的绑定 338 9.3.4 设备 339 9.3.5 驱动 348 9.4 class 351 9.5 本章小结 355 第10章 内存映射与DMA 356 10.1 设备缓存与设备内存 356 10.2 mmap 356 10.2.1 struct vm_area_struct 357 10.2.2 用户空间虚拟地址布局 358 10.2.3 mmap系统调用过程 362 10.2.4 驱动程序中mmap方法的实现 368 10.2.5 mmap使用范例 373 10.2.6 munmap 383 10.3 DMA 384 10.3.1 内核中的DMA层 384 10.3.2 物理地址与总线地址 386 10.3.3 dma_set_mask 387 10.3.4 DMA映射 388 10.3.5 回弹缓冲区（bounce buffer） 401 10.3.6 DMA池 401 10.4 本章小结 405 第11章 块设备驱动程序 407 11.1 块子系统初始化 408 11.2 ramdisk源码实例 410 11.2.1 make_request版本的RAM DISK源码 411 11.2.2 request版本的RAM DISK源码 416 11.2.3 ramdisk的使用 420 11.3 块设备号的注册与管理 422 11.4 block_device 424 11.5 struct gendisk 425 11.6 struct hd_struct 428 11.7 用alloc_disk分配gendisk对象 428 11.8 向系统添加一个块设备add_disk 430 11.9 block_device_operations 439 11.10 块设备文件的打开 440 11.11 blk_init_queue 448 11.12 blk_queue_make_request 459 11.13 向队列提交请求 460 11.14 块设备的请求处理函数 466 11.15 bio结构 467 11.16 本章小结 472 第12章 网络设备驱动程序 473 12.1 net_device 475 12.2 网络设备的注册 488 12.3 设备方法 492 12.3.1 设备初始化 494 12.3.2 设备接口的打开与停止 495 12.3.3 数据包的发送 495 12.3.4 网络数据包发送过程中的流控机制 500 12.3.5 传输超时（watchdog timeout） 503 12.3.6 数据包的接收 506 12.4 套接字缓冲区 510 12.5 中断处理 518 12.6 NAPI 520 12.7 本章小结 522 |
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