《嵌入式系统Linux内核开发实战指南（ARM平台）》凝聚了作者12年的工作经验和学习心得与体会，内容覆盖了嵌入式系统Linux内核开发的各个方面。作者根据自己11年的一线工作经验，介绍了嵌入式系统的概念、组织架构、工作原理、软硬件设计流程、开发调试方法以及嵌入式Linux的开发方法与技能，其中列举了许多作者工作中的实际案例；

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内容简介

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书摘(前言（序） 文摘)

图书信息

作　者：王洪辉 编著出 版 社： 电子工业出版社

出版时间： 2009-1-1

页　数：1156页

开　本： 16开

ISBN 9787121079191

分类： 图书>> 计算机/嵌入式系统开发>>ARM

定价：￥168.00元（含光盘1张）

宣传语

技术总监辞职一年精心写作！

作者希望认识技术水平超越本书内容的顶尖专家

对于经验非常丰富的高手，可以参照详细目录直接阅读代码透析Linux内核实现原理的相关章节

对于入行多年的工程师，本书包含作者10多年的实战经验与技能，让你遇到难题不求人

对于刚起步的初学者，本书详细介绍了嵌入式Linux开发流程和方法，让你快速入门，不走弯路

内容简介

作者根据自己反复阅读Linux2.6内核源代码和Linux内核参考书的笔记与心得，用很大篇幅深入剖析了Linux内核的组成结构以及各组件的实现原理，在阐述理论的同时对内核源代码进行详细注释，这样既加深了对Linux内核原理的理解，又可引导读者自行阅读、分析内核源代码；

该书共32章，分为四部分，每一部分的内容既相互独立，又彼此关联，读者可以根据自己的实际情况有选择地阅读，不必严格依照书中的章节顺序。

作者简介

王洪辉，江西丰城人，1996年毕业于华北航天工业学院，被分配到中航北京青云航空仪表公司工作，2000年从青云离职后先后在6家公司工作过；作者一直从事嵌入式系统Linux内核开发工作，在当今各种流行的嵌入式处理器平台和操作系统上都做过开发，编写、移植或者调试过各种设备、接口的驱动程序；作者在职期间即使担任硬件部主管或技术总监职务，只要有时间仍坚持亲自参与一线技术开发工作，积累经验，精益求精，是嵌入式系统Linux内核开发领域名副其实的技术专家；现在作者主要从事嵌入式系统Linux内核研究与教学工作，并计划将来组织开发自己的操作系统。

目录

第1部分 嵌入式系统硬件开发

第1章 嵌入式系统概述 2

这一章对嵌入式系统的概念及其特点和应用作了概括介绍，笔者根据自己多年的经验阐述了对嵌入式系统的理解，并对一些常见的嵌入式处理器的硬件数据进行了比较。

1.1 嵌入式系统概念 2

1.2 嵌入式处理器 3

1.3 嵌入式系统应用 4

1.4 嵌入式系统发展 4

1.5 一些嵌入式处理器的硬件特性比较 5

第2章 ARM处理器概述 16

为了使本书内容完整，从第2章到第7章中的内容大部分是笔者阅读《ARM体系结构与编程》（详情参见附录中的参考文献）的笔记和心得，把与嵌入式系统开发和Linux内核密切相关的硬件知识进行了概括和整理，本章主要介绍了ARM处理器的特点、ARM处理器的体系架构版本和ARM处理器系列。

2.1 ARM发展历程 16

2.2 ARM处理器特点 17

2.3 ARM处理器应用 17

2.4 ARM体系架构 18

2.4.1 ARM体系架构版本 18

2.4.2 ARM体系架构变种（Variant） 20

2.4.3 ARM体系架构版本命名格式 22

2.5 ARM处理器 22

2.5.1 ARM7系列处理器 23

2.5.2 ARM9系列处理器 24

2.5.3 ARM9E系列处理器 24

2.5.4 ARM10E系列处理器 25

2.5.5 SecurCore系列处理器 25

2.5.6 StrongARM处理器 26

2.5.7 Xscale处理器 26

第3章 ARM指令及其寻址方式 27

本章主要介绍了ARM处理器的指令和寻址方式以及ARM汇编伪指令，这是做ARM处理器应用系统底层软件开发必备的知识。

3.1 ARM处理器的程序状态寄存器（PSR） 27

3.2 ARM指令的条件码 28

3.3 ARM指令介绍 29

3.3.1 跳转指令 29

3.3.2 数据处理指令 30

3.3.3 乘法指令 31

3.3.4 杂类算术指令 32

3.3.5 状态寄存器访问指令 32

3.3.6 Load/Store内存访问指令 33

3.3.7 批量Load/Store内存访问指令 34

3.3.8 LDREX和STREX指令 35

3.3.9 信号量操作指令 37

3.3.10 异常中断产生指令 37

3.3.11 ARM协处理器指令 37

3.4 ARM指令寻址方式 39

3.4.1 数据处理指令的操作数的寻址方式 39

3.4.2 字及无符号字节的Load/Store指令的寻址方式 43

3.4.3 杂类Load/Store指令的寻址方式 47

3.4.4 批量Load/Store指令的寻址方式 49

3.4.5 协处理器Load/Store指令的寻址方式 51

3.4.6 ARM指令的寻址方式总结 52

3.5 ARM汇编伪操作（Directive） 53

3.5.1 符号定义伪操作 54

3.5.2 数据定义伪操作 54

3.5.3 汇编控制伪操作 56

3.5.4 栈中数据帧描述伪操作 57

3.5.5 信息报告伪操作 57

3.5.6 其他伪操作 58

3.6 ARM汇编伪指令 59

3.7 Thumb指令介绍 60

第4章 ARM处理器内存管理单元（MMU） 61

本章主要介绍了ARM处理器内存管理单元（MMU）的工作原理，Linux内存管理功能是通过处理器硬件MMU实现的，在没有MMU的处理器系统中，Linux只能工作在物理地址模式，没有虚拟（线性）地址空间的概念。

4.1 ARM处理器中CP15协处理器的寄存器 61

4.1.1 访问CP15寄存器的指令 61

4.1.2 CP15寄存器介绍 62

4.2 MMU简介 70

4.3 系统访问存储空间的过程 71

4.3.1 使能MMU时的情况 71

4.3.2 禁止MMU时的情况 71

4.3.3 使能/禁止MMU时应注意的问题 72

4.4 ARM处理器地址变换过程 72

4.4.1 MMU的一级映射描述符 73

4.4.2 MMU的二级映射描述符 74

4.4.3 基于段的地址变换过程 75

4.4.4 粗粒度大页地址变换过程 75

4.4.5 粗粒度小页地址变换过程 76

4.4.6 细粒度大页地址变换过程 76

4.4.7 细粒度小页地址变换过程 77

4.4.8 细粒度极小页地址变换过程 77

4.5 ARM存储空间访问权限控制 78

4.6 TLB操作 79

4.6.1 使TLB内容无效 79

4.6.2 锁定TLB内容 79

4.6.3 解除TLB中被锁定的地址变换条目 80

4.7 存储访问失效 80

4.7.1 MMU失效（MMU Fault） 80

4.7.2 外部存储访问失效（External Abort） 81

第5章 ARM处理器的Cache和Write Buffer 82

本章主要介绍了ARM处理器高速缓存（Cache）和写缓存（Write Buffer）的工作原理，使读者了解如何提高处理器的性能。

5.1 Cache和Write Buffer一般性介绍 82

5.1.1 Cache工作原理 82

5.1.2 地址映像方式 83

5.1.3 Cache写入方式原理简介 84

5.1.4 关于Write-through和Write-back 85

5.1.5 Cache替换策略 86

5.1.6 使用Cache的必要性 87

5.1.7 使用Cache的可行性 87

5.2 ARM处理器中的Cache和Write Buffer 88

5.2.1 基本概念 88

5.2.2 Cache工作原理 88

5.2.3 Cache地址映射和变换方法 89

5.2.4 Cache分类 90

5.2.5 Cache替换算法 91

5.2.6 Cache内容锁定 91

5.2.7 MMU映射描述符中B位和C位的含义 92

5.2.8 Cache和Writer Buffer编程接口 93

5.3 ARM处理器的快速上下文切换技术 94

5.3.1 FCSE概述 94

5.3.2 FCSE原理 94

5.3.3 FCSE编程接口 95

第6章 ARM处理器存储访问一致性问题 97

本章介绍了在支持MMU、Cache和DMA的系统中可能出现的存储访问一致性问题，以及Linux中解决类似问题的方法。

6.1 存储访问一致性问题介绍 97

6.1.1 地址映射关系变化造成的数据不一致性 97

6.1.2 指令cache的数据不一致性问题 98

6.1.3 DMA造成的数据不一致问题 99

6.1.4 指令预取和自修改代码 99

6.2 Linux中解决存储访问一致性问题的方法 99

第7章 ARM处理器工作模式与异常中断处理 101

本章主要介绍了ARM处理器的工作模式和异常中断处理过程，这是ARM处理器系统启动程序编写者或Bootloader开发人员的必备知识。

7.1 ARM处理器工作模式 101

7.2 ARM处理器异常中断向量表和优先级 103

7.3 ARM处理器异常中断处理 104

7.3.1 进入异常中断处理 104

7.3.2 退出异常中断处理 105

7.4 ARM处理器的中断（IRQ或FIQ） 109

第8章 ARM处理器启动过程 110

本章根据笔者的开发经验介绍了ARM处理器系统的启动过程以及编写ARM处理器系统启动程序需要注意的事项。

8.1 ARM处理器上电/复位操作 110

8.2 ARM处理器系统初始化过程 111

8.3 ARM处理器系统初始化编程注意事项 111

第9章 嵌入式系统设计与调试 113

本章根据笔者10多年的开发经验介绍了嵌入式系统的设计流程和调试方法，列举了大量笔者工作中碰到的实际案例。本章内容对于嵌入式系统硬件开发和调试有较高的参考、指导价值。

9.1 嵌入式系统设计流程 113

9.2 嵌入式系统硬件原理设计与审核 114

9.3 硬件设计工具软件 117

9.4 嵌入式系统调试仿真工具 117

9.5 嵌入式系统调试诊断方法 118

第10章 自制简易JTAG下载烧写工具 123

本章根据笔者自己制作简易JTAG线缆的经验，介绍了简易JTAG线缆的硬件原理和软件流程，这是初学者必备的最廉价的工具，必须掌握。

10.1 JTAG简介 123

10.1.1 一些基本概念 124

10.1.2 JTAG接口信号 124

10.1.3 TAP控制器的状态机 125

10.1.4 JTAG接口指令集 129

10.2 简易JTAG线缆原理 130

10.2.1 PC并口定义 130

10.2.2 PC并口的寄存器 131

10.2.3 简易JTAG线缆原理图 133

10.2.4 简易JTAG线缆烧写连接图（见图10-5） 134

10.3 简易JTAG烧写代码分析 135

10.3.1 简易JTAG烧写程序（flashp）使用说明 135

10.3.2 flash与CPU连接及flash属性描述文件 136

10.3.3 简易JTAG烧写程序的执行逻辑和流程 138

第2部分 Linux内核开发初步

第11章 Bootloader 142

本章根据笔者的工作经验介绍了流行的几种Bootloader、Bootloader应该具备的基本功能以及Bootloader的裁剪与移植。

11.1 Bootloader的任务和作用 142

11.2 各种各样的Bootloader 143

11.3 Bootloader编译环境 144

11.4 Bootloader的移植与裁减 145

11.5 编译Bootloader 145

11.6 烧写Bootloader 146

11.7 Bootloader使用举例 148

11.8 Bootloader修改举例 149

第12章 创建嵌入式Linux开发环境 151

本章介绍了如何创建嵌入式系统Linux内核交叉开发环境，本章和后续3章的内容是嵌入式系统Linux内核开发的基础，必须掌握。

12.1 安装Linux host 151

12.2 在虚拟机中安装Linux host 152

12.3 安装Linux交叉编译环境 157

12.4 在主机上设置TFTP Server 160

12.5 在主机上设置DHCP Server 161

12.6 在主机上设置Telnet server 161

12.7 在开发过程中使用NFS 162

12.8 设置超级终端 163

第13章 编译Linux内核 166

本章介绍了Linux内核的配置和编译方法。

13.1 获取Linux内核源代码 166

13.2 Linux内核目录结构 166

13.3 配置Linux内核 167

13.4 编译Linux内核 168

第14章 创建Linux根文件系统 170

本章介绍了Linux的根文件系统的结构以及创建根文件系统的方法。

14.1 根文件系统概述 170

14.2 根文件系统目录结构 171

14.3 获取根文件系统组件源代码 171

14.4 编译根文件系统源代码 171

14.5 创建一个32MB的RAMDISK根文件系统 173

14.6 在根文件系统中添加驱动模块或者应用程序 173

第15章 固化Linux内核和根文件系统 174

本章介绍了固化（烧写）Linux内核和根文件系统的方法。

第16章 关于Clinux 176

本章简要介绍了Clinux与标准Linux的区别。

16.1 Clinux简介 176

16.2 Clinux源代码目录结构 177

16.3 Clinux与标准Linux的区别 178

16.4 编译Clinux 179

第3部分 Linux 2.6内核原理

第17章 Linux 2.6.10@ARM启动过程 182

本章以start_kernel()和init()函数中调用到的函数说明的方式，介绍了从Linux汇编代码入口到init内核进程最后调用用户空间init命令的Linux整个启动过程。本章内容是笔者第一次阅读Linux内核源代码时对这些函数的注释，仅供读者了解start_kernel()和init()函数中调用到的每个函数的大致功能时使用。

17.1 Linux 2.6.10中与ARM处理器平台硬件相关的结构和全局变量 182

17.1.1 相关数据结构 182

17.1.2 相关全局变量 187

17.2 Linux汇编代码入口 189

17.3 Linux汇编入口处CPU的状态 189

17.4 start_kernel()函数之前的汇编代码执行过程 190

17.5 start_kernel()函数中调用的函数介绍 192

17.5.1 lock_kernel()函数 192

17.5.2 page_address_init()函数 192

17.5.3 printk(linux_banner) 193

17.5.4 setup_arch(&command_line)函数 193

17.5.5 setup_per_cpu_areas()函数 198

17.5.6 smp_prepare_boot_cpu()函数 199

17.5.7 sched_init()函数 199

17.5.8 build_all_zonelists()函数 200

17.5.9 page_alloc_init()函数 200

17.5.10 printk("Kernel command line: %s\", saved_command_line) 201

17.5.11 parse_early_param()函数 201

17.5.12 parse_args()函数 201

17.5.13 sort_main_extable()函数 202

17.5.14 trap_init()函数 202

17.5.15 rcu_init()函数 202

17.5.16 init_IRQ()函数 203

17.5.17 pidhash_init()函数 203

17.5.18 init_timers()函数 203

17.5.19 softirq_init()函数 204

17.5.20 time_init()函数 204

17.5.21 console_init()函数 205

17.5.22 profile_init()函数 206

17.5.23 local_irq_enable()函数 207

17.5.24 vfs_caches_init_early()函数 207

17.5.25 mem_init()函数 208

17.5.26 kmem_cache_init()函数 210

17.5.27 numa_policy_init()函数 225

17.5.28 calibrate_delay()函数 227

17.5.29 pidmap_init()函数 228

17.5.30 pgtable_cache_init()函数 229

17.5.31 prio_tree_init()函数 229

17.5.32 anon_vma_init()函数 229

17.5.33 fork_init(num_physpages)函数 229

17.5.34 proc_caches_init()函数 230

17.5.35 buffer_init()函数 231

17.5.36 unnamed_dev_init()函数 231

17.5.37 security_init()函数 231

17.5.38 vfs_caches_init(num_physpages)函数 232

17.5.39 radix_tree_init()函数 237

17.5.40 signals_init()函数 237

17.5.41 page_writeback_init()函数 237

17.5.42 proc_root_init()函数 238

17.5.43 check_bugs()函数 240

17.5.44 acpi_early_init()函数 244

17.5.45 rest_init()函数 244

17.6 init()进程执行过程 265

17.6.1 smp_prepare_cpus(max_cpus)函数 265

17.6.2 do_pre_smp_initcalls()函数 265

17.6.3 fixup_cpu_present_map()函数 267

17.6.4 smp_init()函数 267

17.6.5 sched_init_smp()函数 268

17.6.6 populate_rootfs()函数 268

17.6.7 do_basic_setup()函数 283

17.6.8 sys_access()函数 292

17.6.9 free_initmem()函数 301

17.6.10 unlock_kernel()函数 301

17.6.11 numa_default_policy()函数 302

17.6.12 sys_dup()函数 302

17.6.13 execve()函数 302

第18章 Linux内存管理 305

从本章开始，笔者将带领读者走进神秘的Linux内核世界。笔者在阅读内核源代码以及两本相关参考书（见参考文献）的基础上，以自己的理解和语言总结概括了Linux内核每个组件的原理。笔者对与每个内核组件相关的关键数据结构和全局变量作了尽量详尽的说明，并且对核心函数进行了详细注释，在向读者灌输理论知识的同时引导读者自己去阅读、分析Linux内核源代码。本章讲解了Linux内核第一大核心组件“内存管理”的原理和实现内幕。

18.1 Linux内存管理概述 305

18.1.1 Linux内存管理的一些基本概念 305

18.1.2 内存管理相关数据结构 309

18.1.3 内存管理相关宏和全局变量 330

18.1.4 Linux内存管理的任务 341

18.1.5 Linux中的物理和虚拟存储空间布局 341

18.2 为虚拟（线性地址）存储空间建立页表 345

18.3 设置存储空间的访问控制属性 348

18.4 Linux中的内存分配和释放 350

18.4.1 在系统启动初期申请内存 350

18.4.2 系统启动之后的内存分配与释放 360

第19章 Linux进程管理 480

本章讲解了Linux内核第二大核心组件“进程管理”的原理和实现内幕。

19.1 进程管理概述 480

19.1.1 进程相关概念 480

19.1.2 进程分类 481

19.1.3 0号进程 481

19.1.4 1号进程 481

19.1.5 其他一些内核线程 482

19.1.6 进程描述符（struct task_struct） 482

19.1.7 进程状态 482

19.1.8 进程标识符（PID） 483

19.1.9 current宏定义 484

19.1.10 进程链表 484

19.1.11 PID hash表和链表 485

19.1.12 硬件上下文（Hardware Context） 485

19.1.13 进程资源限制 485

19.1.14 进程管理相关数据结构 486

19.1.15 进程管理相关宏定义 502

19.1.16 进程管理相关全局变量 514

19.2 进程管理相关初始化 520

19.3 进程创建与删除 529

19.4 进程调度 551

19.4.1 进程类型 553

19.4.2 进程调度类型 554

19.4.3 基本时间片计算方法 555

19.4.4 动态优先级算法 556

19.4.5 交互式进程 556

19.4.6 普通进程调度 557

19.4.7 实时进程调度 557

19.4.8 进程调度函数分析 558

19.5 进程切换 576

19.6 用户态进程间通信 581

19.6.1 信号（Signal） 581

19.6.2 管道（pipe）和FIFO（命名管道） 627

19.6.3 进程间通信原语（System V IPC） 641

第20章 Linux文件管理 651

本章讲解了Linux内核第三大核心组件“文件系统”的原理和实现内幕。

20.1 文件系统概述 651

20.1.1 Linux文件管理相关概念 652

20.1.2 Linux文件管理相关数据结构 657

20.1.3 Linux文件管理相关宏定义 682

20.1.4 Linux文件管理相关全局变量 691

20.2 文件管理相关初始化 699

20.3 文件系统类型注册 711

20.4 挂接文件系统 712

20.5 文件系统类型超级块读取 730

20.5.1 get_sb_single()通用超级块读取函数 731

20.5.2 get_sb_nodev()通用超级块读取函数 737

20.5.3 get_sb_bdev()通用超级块读取函数 738

20.5.4 get_sb_pseudo()通用超级块读取函数 740

20.6 路径名查找 747

20.7 访问文件操作 759

20.7.1 打开文件 759

20.7.2 关闭文件 766

20.7.3 读文件 768

20.7.4 写文件 785

20.8 异步I/O系统调用 792

20.9 Linux特殊文件系统 792

20.9.1 rootfs文件系统 793

20.9.2 sysfs文件系统 797

20.9.3 devfs设备文件系统 800

20.9.4 bdev块设备文件系统 803

20.9.5 ramfs文件系统 804

20.9.6 proc文件系统 804

20.10 磁盘文件系统 813

20.10.1 ext2文件系统相关数据结构 813

20.10.2 ext2文件系统磁盘分区格式 819

20.10.3 ext2文件系统的各种文件 820

20.10.4 创建ext2文件系统 821

20.10.5 ext2文件系统的操作方法 822

20.11 关于initramfs 824

20.11.1 initramfs概述 824

20.11.2 initramfs与initrd的区别 824

20.11.3 initramfs相关全局变量 825

20.11.4 initramfs被编译链接的位置 825

20.11.5 initramfs文件的生成过程 825

20.11.6 initramfs二进制文件格式说明（cpio格式） 828

20.11.7 initramfs二进制文件和列表文件对照示例 829

20.11.8 initramfs利弊 830

20.12 关于initrd 830

20.12.1 initrd概述 830

20.12.2 initrd相关全局变量 831

20.13 关于gzip压缩文件 832

第21章 Linux模块设计 834

本章讲解了Linux内核模块程序与应用程序的区别以及如何编写和加载Linux内核模块程序。

21.1 Linux模块设计概述 834

21.2 Linux的内核空间和用户空间 834

21.3 内核模块与应用程序的区别 835

21.4 编译模块 837

21.5 装载和卸载模块 837

21.6 模块层叠 838

21.7 模块版本依赖 839

21.8 模块编程示例 839

第22章 Linux系统异常中断管理 841

本章讲解了Linux内核如何管理系统异常中断以及Linux系统调用的实现内幕。

22.1 Linux异常中断处理 841

22.2 指令预取和数据访问中止异常中断处理 849

22.2.1 指令预取中止异常中断处理 850

22.2.2 数据访问中止异常中断处理 858

22.3 Linux中断处理 863

22.3.1 内核模式下的中断处理 863

22.3.2 用户模式下的中断处理 867

22.4 从中断返回 868

22.5 Linux中断管理 869

22.5.1 Linux中断管理相关数据结构与全局变量 870

22.5.2 Linux中断管理初始化 872

22.5.3 安装和卸载中断处理程序 874

22.5.4 使能和禁止中断 878

22.6 Linux系统调用 880

22.6.1 Linux系统调用内核实现过程 880

22.6.2 从系统调用返回 889

22.6.3 Linux系统调用用户程序接口函数 890

22.6.4 Linux系统调用用户接口函数与内核实现函数之间参数传递 899

第23章 Linux软中断和工作队列 901

本章讲解了Linux内核中的两种延迟处理机制“软中断”和“工作队列”的原理和实现。

23.1 概述 901

23.2 Linux软中断 902

23.2.1 软中断相关数据结构和全局变量 903

23.2.2 软中断初始化 904

23.2.3 软中断的核心操作函数do_softirq() 908

23.2.4 软中断看护进程执行函数ksoftirqd() 912

23.2.5 如何使用软中断 913

23.3 Linux工作队列 918

23.3.1 Linux工作队列相关数据结构和全局变量 918

23.3.2 Linux工作队列初始化 921

23.3.3 将工作加入到工作队列中 924

23.3.4 工作者进程执行函数worker_thread() 928

23.3.5 使用Linux工作队列 931

第24章 Linux并发与竞态 933

本章讲解了Linux内核同步机制，包括几种锁定技术以及免锁算法。

24.1 并发与竞态概述 933

24.1.1 Linux中的并发源 934

24.1.2 竞态可能导致的后果 934

24.1.3 避免竞态的规则 934

24.2 消除竞态的“锁定”技术 935

24.2.1 信号量（semphore）和互斥体（mutual exclusion） 935

24.2.2 读写信号量（rw_semaphore） 938

24.2.3 完成量（completion） 941

24.2.4 自旋锁（spinlock_t） 942

24.2.5 读写自旋锁（rwlock_t） 946

24.2.6 使用“锁定”技术的注意事项 949

24.3 消除竞态的非“锁定”方法 949

24.3.1 免锁算法 949

24.3.2 原子操作 950

24.3.3 位操作 951

24.3.4 顺序锁 952

24.3.5 读-复制-更新（Read-Copy-Update，RCU） 954

第25章 Linux设备驱动程序 958

本章讲解了Linux内核第四大核心组件“设备驱动”的原理和实现内幕。同时还总结归纳了编写各种设备驱动程序的方法和步骤。

25.1 设备驱动程序概述 958

25.1.1 设备驱动程序组成部分 959

25.1.2 设备号 959

25.1.3 设备文件 960

25.1.4 编写设备驱动程序的关键 961

25.2 字符设备驱动程序 961

25.2.1 字符设备相关数据结构 961

25.2.2 字符设备相关全局变量 963

25.2.3 字符设备驱动程序全局初始化 963

25.2.4 为字符设备分配设备号 964

25.2.5 注册字符设备驱动程序 968

25.2.6 字符设备的操作方法 971

25.2.7 用户对字符设备驱动程序的调用过程 972

25.2.8 如何编写字符设备驱动程序 974

25.2.9 关于TTY设备驱动程序 974

25.2.10 控制台设备驱动程序 975

25.3 块设备驱动程序 986

25.3.1 块设备相关数据结构 986

25.3.2 块设备相关宏定义 997

25.3.3 块设备相关全局变量 999

25.3.4 块设备驱动程序全局初始化 1004

25.3.5 为块设备分配主设备号 1006

25.3.6 注册块设备驱动程序 1009

25.3.7 块设备驱动程序的操作方法 1017

25.3.8 调用块设备驱动程序过程 1017

25.3.9 I/O调度 1031

25.3.10 如何编写块设备驱动程序 1032

25.4 网络设备驱动程序 1033

25.4.1 网络设备驱动程序概述 1033

25.4.2 网络设备相关数据结构 1034

25.4.3 网络设备相关宏定义 1044

25.4.4 网络设备相关全局变量 1045

25.4.5 创建net_device结构 1046

25.4.6 注册网络设备 1048

25.4.7 网络设备的操作方法 1050

25.4.8 网络设备中断服务程序 1051

25.4.9 如何编写网络设备驱动程序 1051

25.5 PCI设备驱动程序 1052

25.5.1 PCI接口定义 1053

25.5.2 PCI设备的三个地址空间 1057

25.5.3 PCI总线仲裁 1058

25.5.4 PCI设备编号 1059

25.5.5 如何访问PCI配置空间 1059

25.5.6 如何配置PCI设备 1061

25.5.7 PCI驱动程序相关数据结构 1062

25.5.8 PCI驱动程序相关宏定义 1068

25.5.9 PCI驱动程序相关全局变量 1068

25.5.10 Bootloader和内核做的事 1069

25.5.11 PCI驱动程序注册 1069

25.5.12 PCI驱动程序接口函数 1071

25.5.13 如何编写PCI驱动程序 1072

第4部分 Linux内核开发高级指南

第26章 Linux系统参数设置 1076

从本章开始的后续章节主要讲解了比较高级或者平时较少关注的Linux内核方面的知识，本章讲解了Linux中的4种系统参数格式和设置方法。

26.1 旗语系统参数（tag） 1076

26.1.1 与旗语系统参数相关数据结构和全局变量 1076

26.1.2 旗语系统参数说明 1082

26.1.3 旗语系统参数设置方法 1084

26.2 前期命令行设置的系统参数 1084

26.2.1 与前期命令行系统参数相关数据结构和全局变量 1084

26.2.2 前期命令行设置的系统参数说明 1085

26.2.3 前期命令行系统参数设置方法 1086

26.2.4 如何添加自己的前期命令行设置的系统参数 1087

26.3 老式命令行系统参数 1087

26.3.1 与老式命令行系统参数相关数据结构和全局变量 1087

26.3.2 老式命令行设置的系统参数说明 1088

26.3.3 老式命令行设置的系统参数设置方法 1089

26.3.4 如何添加自己的老式命令行设置的系统参数 1089

26.4 命令行系统参数 1089

26.4.1 与命令行系统参数相关数据结构和全局变量 1089

26.4.2 命令行设置的系统参数说明 1090

26.4.3 命令行设置的系统参数设置方法 1090

第27章 Linux内核调试 1091

本章介绍了Linux内核的调试方法。

27.1 打开Linux内核及其各模块自带的调试开关 1091

27.2 内核剖析（Profiling） 1093

27.3 通过打印调试（printk） 1095

27.3.1 关于printk() 1095

27.3.2 内核信息级别 1096

27.3.3 打印速度限制 1097

27.3.4 控制台重定向 1098

27.4 使用proc文件系统调试 1098

27.5 oops消息 1098

27.6 通过跟踪命令strace调试 1099

27.7 使用gdb、kdb、kgdb调试 1099

第28章 Linux内核移植 1101

本章介绍了Linux内核的移植方法。

第29章 Linux内核优化 1104

本章介绍了Linux内核的优化方法。

29.1 编译优化 1104

29.2 根据CPU特性进行优化 1105

29.3 对内核进行裁减 1105

29.4 优化系统内存配置 1106

29.5 优化系统启动过程以缩减系统启动时间 1106

29.6 内存映射优化 1107

29.7 工具软件辅助优化 1107

第30章 Linux定时器 1109

本章介绍了Linux内核的软件定时器。

30.1 定时器相关数据结构 1109

30.2 定时器相关宏定义 1111

30.3 定时器相关全局变量 1112

30.4 定时器和时钟初始化 1113

30.5 获取系统时间 1114

30.6 延迟函数 1115

30.7 与定时器相关系统调用 1115

30.8 使用定时器方法 1116

第31章 杂项 1117

本章介绍了PER_CPU变量以及Linux中的数据类型定义。

31.1 per_cpu变量 1117

31.2 Linux中的数据类型定义 1118

第32章 编译链接文件说明 1119

本章注释了ARM处理器系统中Linux内核的链接文件，以帮助读者了解编译出来的Linux内核各区段在内存中的存放位置。

参考文献 1125

书摘

前言（序）

2007年8月，我从上家公司辞职出来，放弃了刚上市公司骨干中层干部的职位，放弃了丰厚的待遇。

自1996年毕业以来，我一直从事嵌入式系统和Linux内核一线技术开发工作，我所承担的任务和项目基本都是由自己独立完成，即使担任了硬件部主管或技术总监职务，我对自己专长的工作仍是亲历亲为的。一方面，自己热爱这项工作，每攻克一个难题都能体验到莫大的成就感（相信技术工程师都有过这种体会）；另一方面，目前国内做嵌入式系统和Linux内核开发的工程师供不应求，水平高的更是奇缺，相关职位的待遇相对其他职位的偏高，少招一个新员工就为公司节省一笔开支，减轻一份负担，所以对于比较简单和事务性的工作我会安排给其他员工，而难度大的工作我几乎都亲自上阵。我习惯加班，来了兴致甚至通宵达旦，凭着这股干劲，经过多年实践积累，自己常能在短时间内解决很多人长时间没有解决的问题。在我工作中接触到Linux之初，为了更好更深入地学习嵌入式系统和Linux内核开发技能，我在业余时间自己花钱设计制作了MC68VZ328和S3C4510两种开发板以及简易JTAG下载、烧写线缆，并成功移植、固化Clinux到这两个开发板上——到目前为止，我已经在当今流行的各种嵌入式硬件平台（包括单片机、MC68K、PowerPC、ARM、MIPS、DSP）和嵌入式操作系统（包括VRTX、VxWorks、PSOS、Linux）上都做过实际开发工作，编写、移植或者调试过UART、Ethernet、I2C、HDLC+E1、LCD、Keyboard、VFD、SCSI、SATA、IDE、CVBS、VGA、PCI、USB等接口和设备的驱动程序。

在与Linux打交道的这么多年里，我一心想把这个开放源码的优秀操作系统吃透，并理所当然地觉得，随着时间的推移和所做项目的增多，自己一定会逐渐认识Linux内核的真实面目；可是一直以来，每当我想在脑海中对Linux内核各组件及其原理进行全面系统概括描述时却总是如鲠在喉，不得其解，这让我心里一直潜藏着一丝隐忧和茫然：由于不了解Linux内核原理，尽管自己能凭借10多年的工作经验通过适当方法很快把任务完成、把难题解决，但却不能在碰到难题一开始就从原理上把握应该从哪儿下手，怎样做、做什么，缺乏全局预见性和高瞻远瞩的能力，这种心中“没底”的感觉驱使我去更深入钻研、发掘，去力争做到心中“有底”；这也让我意识到，虽然经过10多年的勤奋工作，自己已经积累了足够的工作经验，不过由于平时很少阅读理论书籍和Linux内核源代码，Linux内核原理知识并没有像我原来想象的那样自然而然地装进自己的大脑，所以自己的理论水平仍然很欠缺，要想提高就必须经过一个艰苦的沉淀过程；由于平时工作忙、任务紧，我很少有时间来做系统的总结和归纳，在这种情况下，出于对公司和自己负责任考虑，我决定辞去工作，在家专心、系统研读Linux内核源代码，同时也对自己10多年的工作进行一次全面概括和总结。

我花了半年多时间阅读针对ARM处理器平台的Linux 2.6.10内核源代码，记了2000多页的源代码阅读笔记和心得。2008年4月，我在家坐不住想去找工作——辞职前，我常开车去兜风或带家人郊游，辞职后不久，为了节省支出，我把车卖了，这半年多时间里，我除了早晨出去锻炼外，一天难得出门，没有娱乐，没有朋友交流，没有旅游，这对于一个身处物欲横流的繁华都市闹市区的人来说会是一种怎样的生活体验呢？更何况对于英俊潇洒、才华横溢、热情好动的本人呢（）——于是我在脑海中总结半年多来的学习成果和收获，虽然感觉眼前比以前亮堂了许多，但仍是朦朦胧胧，似是而非，不得已只好强迫自己继续坐下去。我把以前的工作笔记、工作总结、自制的开发板全部找出来，又买了几本介绍Linux内核原理、驱动程序编写方面的理论书籍，把所有这些与半年多来阅读Linux 2.6内核源代码的笔记和心得进行交叉学习，相互印证，加深理解，同时对这些资料再次进行总结、归纳、记笔记、写心得；到2008年6月，当我再次回头清理头绪，翻看新的笔记时，顿然感觉Linux 2.6内核的轮廓渐渐清晰起来，我很兴奋并突发想象：何不将新的笔记、心得整理完善一下，那样不就可以编辑成一本介绍嵌入式系统硬件原理及软硬件设计流程与方法、嵌入式Linux内核原理及开发方法与技能、常见设备工作原理及其驱动程序的编写方法的完整的书了？联想到现在越来越多的年轻人开始热衷于嵌入式系统Linux内核开发这项高科技、高薪工作，却苦于找不到一本从实战出发全面深入介绍这方面技术的指导书，他们有的不惜花重金去参加培训，可是当这些培训后的部分人到我那面试时，我却发现他们所学甚浅，不懂原理，只知道操作流程，有的甚至连基本的流程都不熟悉；加上以前在一些嵌入式系统和Linux论坛中看到很多网友呼吁有经验的开发人员把自己的工作经验总结一下写出来供大家参考，这更让我有了写这本书的冲动。于是我又耐心坐了3个多月，继续总结、归纳、提炼、整理、完善，到了2008年9月，原来的笔记和心得就浓缩成了《嵌入式系统Linux内核开发实战指南（ARM平台）》，我也实现了一次自我超越，从“摸着石头过河”的尴尬与无奈走向了“不管风吹浪打，胜似闲庭信步”的潇洒与从容！

《嵌入式系统Linux内核开发实战指南（ARM平台）》包含了我11年的工作笔记、经验总结，一年多来对ARM处理器平台Linux 2.6内核源代码的阅读心得和体会以及对几本理论参考书的阅读笔记和心得，这本书是从这些内容中提炼出来的，是我对自己12年工作和学习的概括与总结。

《嵌入式系统Linux内核开发实战指南（ARM平台）》以嵌入式系统Linux内核开发的整个过程为线索，按照先硬件后软件、先易后难的顺序编写。书中内容覆盖了嵌入式系统Linux内核开发的各个方面，全书由“嵌入式系统硬件开发（共10章）”、“Linux内核开发初步（共6章）”、“Linux 2.6内核原理（共9章）”、“Linux内核开发高级指南（共7章）”四部分组成，共32章。其中“嵌入式系统硬件开发”部分主要以ARM处理器为例介绍了嵌入式处理器的特点、内部原理以及硬件开发调试流程和方法，还介绍了如何制作简易JTAG线缆和编写烧写程序；“Linux内核开发初步”部分主要介绍各种bootloader、Linux开发环境的创建、Linux内核的配置和编译以及根文件系统的制作，还简单介绍了Clinux；“Linux 2.6内核原理”部分是本书的核心，该部分以Linux 2.6.10内核源代码为基础深入剖析了Linux 2.6内核的各个组成部分及其实现原理，包括Linux启动过程、内存管理、进程调度、文件系统、模块设计、异常中断处理、软中断和工作队列、并发和竞态、设备驱动程序等，是以源代码阅读心得和体会+参考书阅读笔记和心得+源代码详细注释方式编写的，因为Linux源代码是Linux操作系统理论的实践成果，讲解Linux内核理论的同时加上必要的源代码注释就会非常直观，否则恐怕又会是乏味的天书；“Linux内核开发高级指南”部分则介绍了一些比较高级的技能和开发人员平时很少关注的方面，这部分包括Linux系统参数设置、内核调试、内核移植、内核优化、定时器、杂项以及编译链接文件说明等。

《嵌入式系统Linux内核开发实战指南（ARM平台）》适合已经或者志愿从事嵌入式系统Linux内核开发各阶段、各层次的人员阅读。初级开发人员包括在校大学生可以从中找到努力的方向；中级开发人员可以从中找到更深层细致的内容和有效的方法；高级开发人员可以从中发现不少解决难题的点睛之笔——总之我希望并相信这本书能对爱好或从事嵌入式系统和Linux内核开发的读者有一定帮助，使他们在技术开发的道路上少走一些弯路！

当然，一本书不可能包括全部细节，Linux 2.6内核源代码本身就远不是一本1000多页的书所能容纳的。事实上，随着写作的深入，我发现要写和想写的东西越来越多，这或许就是知识的扩张效应吧：当我们了解的东西很少的时候，未知领域和已知领域的分界线只是一个很小的圈，随着我们知识的增加和积累，这个圈慢慢向外伸展，越来越大，于是我们就感觉到不懂的东西越来越多而不是越来越少。正是这种感觉激发了人们的求知欲，有多少科学家特别是我们中国的科学家，把自己的一生都默默奉献给了国家的科学发展事业，成就了中国世界科技大国的地位！他们从不奢望也不屑获得所谓的“诺贝尔”！——但是无论如何，这本书只能就此告一段落，如果有可能，我会把更多内容和细节写入下一本书中。

由于书中内容太多，其中难免出现一些错别字或文笔不通的现象，也可能会有错误，如果读者碰到这种情况，请在广泛查阅相关资料并亲自实验的基础上得出并坚持正确的结论，不要迷信书本和权威，要敢于怀疑，勤于思考和验证，这样才能更快地进步，这才是科学态度。我诚挚期望读者能向我指出书中的错误和不足，这样我就能与读者共同进步和提高！

最后我要特别提到，在学习和写作的整个过程中，我常看《恰同学少年》——想到那么多平凡而壮丽的人生，自己一年多来吃的这点“苦”又算得了什么呢？呵呵，毛毛雨而已！

王洪辉

2008年12月26日

文摘

x86架构处理器主要用于设计成家用PC、笔记本电脑、服务器以及一些大型的计算机系统，x86架构处理器主要由逻辑算术运算单元、：MMU以及片内cache组成，片内外设资源非常有限，其外设功能都需通过外接扩展芯片来实现，x86架构处理器使用的是复杂指令集CISC，每条指令所占字节数不完全一样，指令周期也不尽一致，而且内存空间与I/O空间是相互独立、分别寻址的。在电脑中，除BIOS之外的操作系统以及应用程序都被存放在硬盘上，只有需要的时候才被调入内存运行。电脑上的软件面对各种不同需求的广大用户，其程序代码相当冗长而复杂，涉及范围也最全面。

而嵌入式处理器常常是针对一定的应用进行设计，处理器内部除了逻辑算术运算单元、MMU和cache外，还集成了特定应用所需要的外设控制单元，比如以太网MAC、USBhost、IJSBclient、iic、uART、PCI、IDE、SPI等控制器，嵌入式处理器常常使用精简指令集RISC，每条指令的长度和执行时间都是固定的，而且嵌入式处理器的内存空间与I/O空间通常都是统一寻址的。另外嵌入式系统中一般都是把所有程序都烧写到非易失存储设备（如flash、EPROM等）上，系统加电后又把全部程序搬到内存中运行。嵌入式系统中的软件是根据特定需求编写的，相对较小且精简。

从系统功能上讲，用x86架构处理器设计出的台式机或者笔记本电脑，主要通过人机交互实现其功能，而用嵌入式处理器设计出的产品则一般都被嵌入在某种设备中自动完成功能。在嵌入式系统开发过程中，用x86架构处理器设计的电脑常常用作嵌入式系统开发主机，用来编辑和交叉编译嵌入式处理器的程序代码，外部连接一定的调试仿真设备还可以对嵌入式系统进行调试仿真。