Linux 核心驅動開發參考索引

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在嵌入式系統開發中，Linux 核心驅動程式扮演著重要的角色，它銜接硬體與軟體，實作系統的各種功能。本索引彙整了 Linux 核心驅動程式開發的關鍵概念和函式，方便開發者快速查詢和應用。內容涵蓋字元裝置驅動的建立與管理、裝置樹的解析與應用、DMA 操作、中斷處理機制、GPIO 和 PIN 控制，以及工序佇列的運用。這些技術對於理解和開發 Linux 核心驅動程式至關重要，尤其在資源有限的嵌入式平台，如樹莓派，更需要有效運用這些機制來提升系統效能和穩定性。

Linux 核心驅動程式開發參考手冊索引

本索引涵蓋了 Linux 核心驅動程式開發的關鍵概念和函式，主要根據樹莓派（Raspberry Pi）平台的 Linux 核心檔案和相關技術檔案。

字元裝置驅動

字元裝置驅動是 Linux 核心驅動程式的重要組成部分，用於管理字元裝置的輸入輸出操作。

  • alloc_chrdev_region() 函式：用於動態分配字元裝置的主次編號。
  • cdev_add() 函式：將字元裝置新增到核心。
  • cdev_init() 函式：初始化字元裝置結構。
  • file_operations 結構：定義了字元裝置的檔案操作介面。

裝置樹（Device Tree）

裝置樹是一種描述硬體裝置的資料結構，用於在 Linux 核心中管理和組態硬體裝置。

  • of_platform_populate() 函式：填充平台裝置。
  • of_scan_flat_dt() 函式：掃描扁平化裝置樹。
  • setup_machine_fdt() 函式：設定機器描述結構。
  • unflatten_device_tree() 函式：將扁平化裝置樹轉換為樹狀結構。

直接記憶體存取（DMA）

直接記憶體存取是一種硬體機制，允許外設直接存取系統記憶體，而無需 CPU 干預。

  • dma_alloc_coherent() 函式：分配一致性 DMA 記憶體。
  • dma_map_single() 函式：對映單個 DMA 緩衝區。
  • dmaengine_prep_slave_sg() 函式：準備從裝置的分散-聚集 DMA 操作。

中斷處理

中斷處理是 Linux 核心驅動程式中的重要機制，用於處理硬體中斷事件。

  • devm_request_irq() 函式：請求中斷處理函式。
  • devm_request_threaded_irq() 函式：請求執行緒中斷處理函式。

GPIO 和 PIN 控制

GPIO 和 PIN 控制是 Linux 核心驅動程式中的重要功能，用於管理和組態 GPIO 引腳和 PIN 功能。

  • devm_gpiod_get() 函式：取得 GPIO 描述符。
  • devm_pinctrl_register() 函式：註冊 PIN 控制裝置。

工序佇列（Workqueue）

工序佇列是一種用於延遲執行工作的機制，允許驅動程式在非中斷上下文中執行任務。

  • create_singlethread_workqueue() 函式：建立單執行緒工序佇列。
  • DECLARE_WORK() 宏：宣告工序結構。

內容解密：

此索引涵蓋了 Linux 核心驅動程式開發的關鍵概念和函式，主要根據樹莓派平台的 Linux 核心檔案和相關技術檔案。這些內容對於開發和維護 Linux 核心驅動程式具有重要的參考價值。透過瞭解這些關鍵概念和函式，開發者可以更好地理解和實作 Linux 核心驅動程式的功能。

索引列表說明

本文所列索引主要來自相關技術檔案，涵蓋了字元裝置驅動、裝置樹、直接記憶體存取、中斷處理、GPIO 和 PIN 控制、工序佇列等多個方面的內容。這些內容對於理解和開發 Linux 核心驅動程式具有重要意義。

索引使用

  • 本文索引按照字母順序排列，方便讀者快速查詢相關主題。
  • 每個主題下都列出了相關的函式、結構和宏定義，並提供了簡要的說明。
  • 讀者可以根據自己的需求，選擇感興趣的主題進行深入瞭解。

索引擴充套件閱讀

  • 若需深入瞭解某個主題，可以參考相關的技術檔案和 Linux 核心原始碼。
  • 本文索引可作為學習和開發 Linux 核心驅動程式的參考手冊。

相關資源

  1. Raspberry Pi Linux 檔案：https://www.raspberrypi.org/documentation/linux/
  2. Broadcom BCM2835 ARM 外設：https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/bcm2835/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf
  3. Linux 裝置驅動程式（第三版）：https://lwn.net/Kernel/LDD3/
  4. Linux 核心和驅動程式開發培訓：https://bootlin.com/doc/training/linux-kernel/
  5. Linux 核心開發報告（第七版）：https://www.linuxfoundation.org/events/2016/08/linux-kernel-development-2016/
  6. Linux 核心裝置樹檔案：https://www.kernel.org/doc/Documentation/devicetree/usage-model.txt
  7. 裝置樹規範：https://github.com/devicetree-org/devicetree-specification/releases
  8. Raspberry Pi 裝置樹檔案：https://www.raspberrypi.org/documentation/configuration/device-tree.md
  9. Linux 核心 GPIO 檔案：https://www.kernel.org/doc/html/v5.4/driver-api/gpio/index.html
  10. Linux 核心 PINCTRL 子系統檔案：https://www.kernel.org/doc/html/v4.15/driver-api/pinctl.html

Linux 核心開發與裝置驅動

Linux 核心是作業系統的核心部分，負責管理硬體資源並提供系統服務。瞭解 Linux 核心的結構和開發流程對於開發裝置驅動和系統軟體至關重要。

Linux 核心概述

Linux 核心是一個開源的作業系統核心，由林納斯·託瓦茲（Linus Torvalds）於 1991 年首次發布。它支援多種硬體架構，並具有高度的可移植性和可擴充套件性。

Linux 核心的版本型別

  1. Mainline（主線版本）：最新的開發版本，包含最新的功能和修復。
  2. Stable（穩定版本）：經過測試的主線版本，適合一般使用。
  3. Longterm（長期支援版本）：長期維護的穩定版本，適合需要長期支援的系統。
  4. Prepatch（預發布版本）：即將發布的穩定版本的預覽版。

裝置驅動開發

裝置驅動是 Linux 核心的一部分，負責管理特定的硬體裝置。開發裝置驅動需要深入瞭解 Linux 核心的裝置模型和驅動框架。

裝置驅動的註冊

在 Linux 中，裝置驅動透過 driver_register() 函式註冊到核心中。驅動程式需要實作 probe() 函式，以便在裝置被檢測到時進行初始化。

static int __init my_driver_init(void) {
    // 註冊驅動程式
    return driver_register(&my_driver);
}

module_init(my_driver_init);

裝置驅動的解除註冊

當驅動程式不再需要時，可以透過 driver_unregister() 函式解除註冊。

static void __exit my_driver_exit(void) {
    // 解除註冊驅動程式
    driver_unregister(&my_driver);
}

module_exit(my_driver_exit);

GPIO 和中斷處理

GPIO（General Purpose Input/Output）是一種通用輸入/輸出介面，用於控制和讀取外部裝置的狀態。中斷處理是處理硬體中斷的機制，用於提高系統的回應速度。

GPIO 操作

Linux 提供了豐富的 GPIO 操作介面，包括 gpiod_direction_input() 和 gpiod_direction_output() 等函式，用於設定 GPIO 引腳的方向。

// 取得 GPIO 引腳
gpiod = devm_gpiod_get(dev, "my_gpio", GPIOD_IN);

// 設定 GPIO 引腳方向為輸入
gpiod_direction_input(gpiod);

中斷處理

中斷處理函式需要快速執行，以避免阻塞其他中斷。Linux 提供了 request_irq() 和 free_irq() 等函式，用於註冊和解除註冊中斷處理函式。

// 註冊中斷處理函式
irq = gpiod_to_irq(gpiod);
ret = request_irq(irq, my_irq_handler, IRQF_TRIGGER_RISING, "my_irq", NULL);

I2C 和 SPI 匯流排

I2C 和 SPI 是兩種常見的序列通訊協定，用於連線外部裝置。Linux 提供了完整的 I2C 和 SPI 匯流排支援，包括控制器驅動和裝置驅動。

I2C 匯流排

I2C 匯流排是一種雙線序列匯流排，用於連線多個裝置。Linux 提供了 i2c_add_driver() 和 i2c_del_driver() 等函式，用於註冊和解除註冊 I2C 裝置驅動。

// 註冊 I2C 裝置驅動
ret = i2c_add_driver(&my_i2c_driver);

工業 I/O（IIO）框架

IIO 框架是 Linux 提供的一種用於處理模擬訊號的框架，廣泛應用於工業控制、醫療裝置等領域。

IIO 裝置註冊

IIO 裝置透過 devm_iio_device_register() 函式註冊到核心中。

// 註冊 IIO 裝置
ret = devm_iio_device_register(dev, &my_iio_device);
內容解密：

本文介紹了 Linux 核心開發和裝置驅動開發的基本概念和技術。首先，我們瞭解了 Linux 核心的不同版本型別，包括主線版本、穩定版本、長期支援版本和預發布版本。然後，我們探討了裝置驅動開發，包括驅動程式的註冊和解除註冊。接著，我們討論了 GPIO 和中斷處理，包括 GPIO 操作和中斷處理函式的註冊。最後，我們介紹了 I2C 和 SPI 匯流排、以及 IIO 框架等內容。這些技術對於開發 Linux 下的裝置驅動和系統軟體至關重要。

Linux 核心索引

核心功能索引

Linux 核心包含了眾多功能和子系統，以下是一些重要的核心功能及其對應的函式和結構：

記憶體管理

  • MMU（記憶體管理單元）：負責虛擬記憶體到實體記憶體的對映。
  • 頁面分配器（PAGE Allocator）：用於核心記憶體的分配，相關 API 包括頁面分配和釋放函式。
  • SLAB 分配器：用於高效的核心物件分配，相關 API 包括 kmem_cache_create 和 kmem_cache_alloc。

裝置驅動

  • 平台裝置驅動：透過 platform_driver 結構註冊，包含 probe 函式來初始化裝置。
  • I2C 裝置驅動：透過 i2c_driver 結構註冊，使用 i2c_register_driver 進行註冊。
  • SPI 裝置驅動：透過 spi_driver 結構註冊，使用 spi_register_driver 進行註冊。
  • USB 裝置驅動：負責處理 USB 裝置的連線和資料傳輸，使用 usb_driver 結構註冊。

中斷處理

  • 中斷請求：透過 request_irq 函式註冊中斷處理函式。
  • 執行緒化中斷：允許中斷處理程式線上程上下文中執行，相關函式包括 request_threaded_irq。

延遲工作

  • 軟中斷（softirqs）：用於延遲處理中斷相關的工作。
  • tasklets：一種特殊的軟中斷，用於簡化中斷處理後的延遲任務。
  • 工作佇列（workqueues）：用於在程式上下文中執行延遲工作，相關函式包括 queue_work 和 schedule_work。

檔案系統

  • sysfs 檔案系統：用於將核心物件匯出到使用者空間，方便管理和監控系統狀態。

重要資料結構和 API

  1. 裝置樹（Device Tree）

    • 用於描述硬體裝置的資料結構，在啟動時由內核解析。
    • 相關函式包括 of_device_id 和 of_match_table。

  2. Regmap

    • 一種通用的暫存器對映介面，用於簡化對硬體暫存器的存取。
    • 相關結構包括 regmap_config 和 regmap，以及 API 如 regmap_init_i2c 和 regmap_write。

  3. UIO（Userspace I/O）框架

    • 允許在使用者空間實作裝置驅動程式，相關 API 包括 uio_register_device。

  4. 同步機制

    • 包括自旋鎖（spinlock）、互斥鎖（mutex）等，用於保護分享資源。

程式碼解讀

示例程式碼：註冊一個平台裝置驅動

static struct platform_driver my_driver = {
    .driver = {
        .name = "my_device",
        .of_match_table = my_of_match,
    },
    .probe = my_probe,
    .remove = my_remove,
};

module_platform_driver(my_driver);

內容解密：

  1. 定義了一個 platform_driver 結構例項 my_driver，用於描述一個平台裝置驅動。
  2. 在 .driver 成員中指定了驅動的名稱和裝置樹匹配表。
  3. .probe 和 .remove 成員分別指向驅動的初始化和移除函式。
  4. 使用 module_platform_driver 宏註冊驅動，使其在模組載入時自動註冊。
玄貓 BlackCat

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。