深入Linux设备驱动程序内核机制 pdf下载

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。
　　

　　《深入Linux设备驱动程序内核机制》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。

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。

第1章 内核模块
1.1 内核模块的文件格式
1.2 EXPORT_SYMBOL的内核实现
1.3 模块的加载过程
1.3.1 sys_init_module（第一部分）
1.3.2 struct module
1.3.3 load_module
1.3.4 sys_init_module（第二部分）
1.3.5 模块的卸载
1.4 本章小结
第2章 字符设备驱动程序
2.1 应用程序与设备驱动程序互动实例
2.2 struct file_operations
2.3 字符设备的内核抽象
2.4 设备号的构成与分配
2.4.1 设备号的构成
2.4.2 设备号的分配与管理
2.5 字符设备的注册
2.6 设备文件节点的生成
2.7 字符设备文件的打开操作
2.8 本章小结
第3章 分配内存
3.1 物理内存的管理
3.1.1 内存节点node
3.1.2 内存区域zone
3.1.3 内存页
3.2 页面分配器（page allocator）
3.2.1 gfp_mask
3.2.2 alloc_pages
3.2.3 __get_free_pages
3.2.4 get_zeroed_page
3.2.5 __get_dma_pages
3.3 slab分配器（slab allocator）
3.3.1 管理slab的数据结构
3.3.2 kmalloc与kzalloc
3.3.3 kmem_cache_create与kmem_cache_alloc
3.4 内存池（mempool）
3.5 虚拟内存的管理
3.5.1 内核虚拟地址空间构成
3.5.2 vmalloc与vfree
3.5.3 ioremap
3.6 per-CPU变量
3.6.1 静态per-CPU变量的声明与定义
3.6.2 静态per-CPU变量的链接脚本
3.6.3 setup_per_cpu_areas函数
3.6.4 使用per-CPU变量
3.7 本章小结
第4章 互斥与同步
4.1 并发的来源
4.2 local_irq_enable与local_irq_disable
4.3 自旋锁
4.3.1 spin_lock
4.3.2 spin_lock的变体
4.3.3 单处理器上的spin_lock函数
4.3.4 读取者与写入者自旋锁rwlock
4.4 信号量（semaphore）
4.4.1 信号量的定义与初始化
4.4.2 DOWN操作
4.4.3 UP操作
4.4.4 读取者与写入者信号量rwsem
4.5 互斥锁mutex
4.5.1 互斥锁的定义与初始化
4.5.2 互斥锁的DOWN操作
4.5.3 互斥锁的UP操作
4.6 顺序锁seqlock
4.7 RCU
4.7.1 读取者的RCU临界区
4.7.2 写入者的RCU操作
4.7.3 RCU使用的特点
4.8 原子变量与位操作
4.9 等待队列
4.9.1 等待队列头wait_queue_head_t
4.9.2 等待队列的节点
4.9.3 等待队列的应用
4.10 完成接口completion
4.11 本章小结
第5章 中断处理
5.1 中断的硬件框架
5.2 PIC与软件中断号
5.3 通用的中断处理函数
5.4 do_IRQ函数
5.5 struct irq_chip
5.6 struct irqaction
5.7 irq_set_handler
5.8 handle_irq_event
5.9 request_irq
5.10 中断处理的irq_thread机制
5.11 free_irq
5.12 SOFTIRQ
5.13 irq的自动探测
5.14 中断处理例程
5.15 中断共享
5.16 本章小结
第6章 延迟操作
6.1 tasklet
6.1.1 tasklet机制初始化
6.1.2 提交一个tasklet
6.1.3 tasklet_action
6.1.4 tasklet的其他操作
6.2 工作队列work queue
6.2.1 数据结构
6.2.2 create_singlethread_workqueue和create_workqueue
6.2.3 工人线程worker_thread
6.2.4 destroy_workqueue
6.2.5 提交工作节点queue_work
6.2.6 内核创建的工作队列
6.3 本章小结
第7章 设备文件的高级操作
7.1 ioctl文件操作
7.1.1 ioctl的系统调用
7.1.2 ioctl的命令编码
7.1.3 copy_from_user和copy_to_user
7.2 字符设备的I/O模型
7.3 同步阻塞型I/O
7.3.1 wait_event_interruptible
7.3.2 wake_up_interruptible
7.4 同步非阻塞型I/O
7.5 异步阻塞型I/O
7.6 异步非阻塞型I/O
7.7 驱动程序的fsync例程
7.8 fasync例程
7.9 llseek例程
7.10 访问权能
7.11 本章小结
第8章 时间管理
8.1 jiffies
8.1.1 时间比较
8.1.2 时间转换
8.2 延时操作
8.2.1 长延时
8.2.2 短延时
8.3 内核定时器
8.3.1 init_timer
8.3.2 add_timer
8.3.3 del_timer和del_timer_sync
8.4 本章小结
第9章 Linux设备驱动模型
9.1 sysfs文件系统
9.2 kobject和kset
9.2.1 kobject
9.2.2 kobject的类型属性
9.2.3 kset
9.2.4 热插拔中的uevent和call_usermodehelper
9.2.5 实例源码
9.3 总线、设备与驱动
9.3.1 总线及其注册
9.3.2 总线的属性
9.3.3 设备与驱动的绑定
9.3.4 设备
9.3.5 驱动
9.4 class
9.5 本章小结
第10章 内存映射与DMA
10.1 设备缓存与设备内存
10.2 mmap
10.2.1 struct vm_area_struct
10.2.2 用户空间虚拟地址布局
10.2.3 mmap系统调用过程
10.2.4 驱动程序中mmap方法的实现
10.2.5 mmap使用范例
10.2.6 munmap
10.3 DMA
10.3.1 内核中的DMA层
10.3.2 物理地址与总线地址
10.3.3 dma_set_mask
10.3.4 DMA映射
10.3.5 回弹缓冲区（bounce buffer）
10.3.6 DMA池
10.4 本章小结
第11章 块设备驱动程序
11.1 块子系统初始化
11.2 ramdisk源码实例
11.2.1 make_request版本的RAM DISK源码
11.2.2 request版本的RAM DISK源码
11.2.3 ramdisk的使用
11.3 块设备号的注册与管理
11.4 block_device
11.5 struct gendisk
11.6 struct hd_struct
11.7 用alloc_disk分配gendisk对象
11.8 向系统添加一个块设备add_disk
11.9 block_device_operations
11.10 块设备文件的打开
11.11 blk_init_queue
11.12 blk_queue_make_request
11.13 向队列提交请求
11.14 块设备的请求处理函数
11.15 bio结构
11.16 本章小结

模块最大的好处是可以动态扩展应用程序的功能而无须重新编译链接生成一个新的应用程序映像，这种广义上的模块概念其实并非Linux系统所特有，在微软的Windows系统上动态链接库DLL（Dynamic Link Library）便是模块概念的一个典型应用场景，对应到Linux系统上这种模块以所谓的共享库so（shared object）文件的形式存在。
本章要讨论的主题-Linux内核模块，在概念及原理方面与上面提到的DLL和so模块类似，但又有其独特的一面，内核模块可以在系统运行期间动态扩展系统功能而无须重新肩动系统2，更无须为这些新增的功能重新编译一个新的系统内核映像。内核模块的这个特性为内核开发者开发验证新的功能提供了极大的便利，因为像Linux这么庞大的系统，编译一个新内核并重新启动将浪费开发者大量的时间。虽然设备驱动程序并不一定要以内核模块的形式存在，并且内核模块也不一定就代表着一个设备驱动程序，但是内核模块的这种特性似乎注定是为设备驱动程序而生。Linux系统下的设备驱动程序员在开发一个新的设备驱动的过程中，使用的最多的工具之一是insmod，这就是一个简单的向系统动态加载内核模块的命令。
很难想象，如果没有insmod这样的机制，在Linux底下调试一个设备驱动会是怎样的一件让人痛苦抓狂的事情！笔者相信，任何一个在Linux上面有过实际的驱动程序开发经历的人都会有类似的感受。Linux系统虽然为内核模块机制提供了完善的支持，使得其下的内核模块是如此强大，然而现实中事情往往并非如预想的那样一帆风顺，如果对其幕后的机制不甚了解，在实际的开发过程之中，除了驱动程序自身要实现的功能可能会遇到麻烦以外，在利用Linux中的内核模块机制时，也会遇到各种各样的问题，比如在用insmod命令加载一个模块时，就很可能会碰到类似下面的错误信息。

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