Writing Unix Device Drivers in C/Book and Disk pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Prentice Hall Trade

作者:Phillip M. Adams

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1992-12

价格:USD 48.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780139638695

丛书系列:

图书标签:

• Unix
• Device Drivers
• C Programming
• Operating Systems
• Kernel
• Programming
• Embedded Systems
• Disk
• Tutorial
• Reference

编程实践与系统底层解析：现代操作系统内核模块开发指南 书籍定位： 本书旨在为有一定C语言和操作系统基础的读者，提供一套全面且深入的现代操作系统内核模块开发实践指南。它侧重于理论与实际操作相结合，涵盖从基础驱动结构到复杂并发控制、内存管理和I/O交互的全景视角，帮助开发者构建稳定、高效且安全的内核组件。 核心内容概述： 本书摒弃对特定旧版系统的冗余描述，将焦点完全集中于当前主流的、遵循现代设计范式的内核架构（如Linux内核的当前稳定版本分支）进行深入剖析与代码实现。全书内容组织为六个核心部分，层层递进，确保读者能够系统地掌握内核模块的生命周期及其复杂性。 --- 第一部分：内核环境的奠基与模块生命周期管理 本部分首先为读者搭建起理解内核编程的必要基础。我们不会停留在用户空间的抽象概念上，而是直接深入到内核的运行环境和其独特的内存模型。 1. 内核态与用户态的本质区别： 详细阐述两种执行环境在权限、地址空间、上下文切换和系统调用入口上的根本差异。重点分析内核态代码的“不可容忍性”——任何错误都可能导致系统崩溃，从而强调编码的严谨性。 2. 模块基础结构与编译系统： 深入讲解内核模块（LKM）的加载、初始化、退出流程。精确剖析`module_init`和`module_exit`宏的实际作用，并提供使用Kbuild系统（内核编译系统）编写健壮的`Makefile`，实现交叉编译和模块依赖管理的方法。代码示例将完全基于现代内核API，避免使用已被废弃的函数调用。 3. 字符设备驱动的初体验： 以最简单的“Hello World”字符设备驱动为例，引入`file_operations`结构体，解释文件系统如何与内核对象进行交互。重点讲解`open`、`release`、`read`和`write`这四个基本操作的执行路径和返回值约定。 --- 第二部分：数据交互与同步机制的艺术 在并发环境中，数据同步是内核编程中最具挑战性的部分。本部分将详细介绍内核提供的各种同步原语及其适用场景。 4. 原子操作与内存屏障： 探讨在不使用锁的情况下，如何保证基本数据类型操作的原子性。深入讲解各种原子操作函数（如`atomic_inc`系列）的底层实现原理，并解释内存屏障（Memory Barrier）在保证指令重排顺序方面的关键作用。 5. 经典同步机制的深入应用： 细致区分自旋锁（Spinlocks）和互斥锁（Mutexes）的使用边界。重点分析自旋锁在持有时间极短场景下的性能优势，以及互斥锁在可能导致阻塞场景下的正确选择。书中将包含大量代码示例，展示如何正确地在中断上下文和进程上下文中切换使用这些锁。 6. 信号量与完成变量（Completion）： 讲解信号量（Semaphores）在复杂资源控制中的应用，包括计数信号量和二值信号量。同时，阐述“完成变量”如何用于实现线程间的同步等待，尤其是在驱动程序中等待异步硬件操作完成的场景。 --- 第三部分：中断处理与硬件交互 理解硬件中断是编写设备驱动的核心。本部分聚焦于如何高效、安全地响应硬件事件。 7. 中断的注册与执行模型： 详细介绍现代内核处理中断请求（IRQ）的顶半部（Top Half）和底半部（Bottom Half）机制。分析顶半部必须保持快速和无阻塞执行的原因。 8. 延迟执行机制——Tasklets与工作队列（Workqueues）： 深入讲解Tasklets（用于短时、可快速调度的延迟工作）和工作队列（用于调度到进程上下文执行、可能睡眠的操作）。书中会提供清晰的指导，说明何时使用哪种机制以避免死锁或性能瓶颈。 9. 端口I/O与内存映射I/O（MMIO）： 讲解CPU如何通过端口（Port）或内存地址访问外部设备寄存器。重点介绍`inb`/`outb`系列函数和内存映射访问（使用`ioremap`）的差异，以及对MMIO进行访问时必须遵循的顺序和屏障要求。 --- 第四部分：内存管理与缓冲区操作 内核内存的分配与释放与用户空间完全不同，本书将揭示内核内存分配器的奥秘。 10. 内核动态内存分配： 区别于标准C库的`malloc`，本书专注于讲解内核专用的内存分配函数，如`kmalloc`、`vmalloc`。详细说明它们的内存池来源、分配限制（如GFP_FLAGS的使用），以及何时应使用它们。 11. 缓冲区处理与DMA（直接内存访问）： 阐述内核中处理I/O缓冲区数据的方法，包括`get_user_pages`和通用缓冲队列（Skbuff）的初步概念。重点讲解DMA的原理，以及如何使用DMA API（如DMA映射）来安全地在设备和内核之间传输数据，避免缓存一致性问题。 --- 第五部分：系统接口与用户空间通信 驱动程序的最终目标是为用户空间程序提供服务。本部分关注稳定且高效的接口设计。 12. 异步通知机制： 介绍用于通知用户空间进程事件发生的现代机制，包括： 中断和唤醒（Wake Locks）： 用于在驱动中唤醒等待的用户线程。 Fasync和Poll机制： 讲解如何使设备文件描述符支持`select`/`poll`/`epoll`调用，以实现高效的事件驱动编程。 13. IOCTL（Input/Output Control）的高级用法： IOCTL是设备控制的核心。本书将深入探讨如何设计健壮的IOCTL命令集，包括如何使用`copy_from_user`和`copy_to_user`安全地在内核和用户空间之间传递复杂数据结构，并强调输入校验的重要性。 --- 第六部分：调试、错误处理与模块的健壮性 编写内核代码要求极高的容错性。本部分提供实用的调试技巧和系统化的错误恢复策略。 14. 内核调试工具与日志： 详细介绍内核打印函数（`printk`家族）的正确使用方法和日志级别。探讨使用内核调试器（如KGDB）和动态调试工具（如Kprobes）进行运行时分析的流程和技巧。 15. 错误处理与资源清理： 强调在内核中，必须确保所有已分配的资源（内存、锁、IRQ等）在初始化失败或退出时都能被完全释放。展示如何在复杂初始化路径中编写回滚（Cleanup）代码，确保模块加载和卸载的幂等性和安全性。 --- 目标读者： C语言基础扎实，熟悉数据结构和算法，对操作系统原理有深入理解的软件工程师、系统程序员以及希望进入嵌入式或系统级开发领域的开发者。 本书特点： 全程采用现代C语言特性和主流内核API，代码示例经过严格测试，专注于解决真实世界中遇到的并发、同步和I/O难题，是一本面向实践、拒绝过时信息的内核开发参考手册。

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