-- 作者：wangxinxin
-- 發(fā)布時(shí)間：2010-11-24 9:37:14
-- Linux下PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
一、PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
PCI是外圍設(shè)備互連（Peripheral Component Interconnect）的簡(jiǎn)稱，作為一種通用的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，它在目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。PCI提供了一組完整的總線接口規(guī)范，其目的是描述如何將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備以一種結(jié)構(gòu)化和可控化的方式連接在一起，同時(shí)它還刻畫了外圍設(shè)備在連接時(shí)的電氣特性和行為規(guī)約，并且詳細(xì)定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)不同部件之間應(yīng)該如何正確地進(jìn)行交互。
無(wú)論是在基于Intel芯片的PC機(jī)中，或是在基于Alpha芯片的工作站上，PCI毫無(wú)疑問(wèn)都是目前使用最廣泛的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。同舊式的ISA總線不同，PCI將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的總線子系統(tǒng)與存儲(chǔ)子系統(tǒng)完全地分開，CPU通過(guò)一塊稱為PCI橋（PCI-Bridge）的設(shè)備來(lái)完成同總線子系統(tǒng)的交互，如圖1所示。
圖1 PCI子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
由于使用了更高的時(shí)鐘頻率，因此PCI總線能夠獲得比ISA總線更好的整體性能。PCI總線的時(shí)鐘頻率一般在25MHz到33MHz范圍內(nèi)，有些甚至能夠達(dá)到66MHz或者133MHz，而在64位系統(tǒng)中則最高能達(dá)到266MHz。盡管目前PCI設(shè)備大多采用32位數(shù)據(jù)總線，但PCI規(guī)范中已經(jīng)給出了64位的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，從而使PCI總線能夠更好地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)性，現(xiàn)在PCI總線已經(jīng)能夠用于IA-32、Alpha、PowerPC、SPARC64和IA-64等體系結(jié)構(gòu)中。
PCI總線具有三個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，使得它能夠完成最終取代ISA總線這一歷史使命：
- 在計(jì)算機(jī)和外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)具有更好的性能；
- 能夠盡量獨(dú)立于具體的平臺(tái)；
- 可以很方便地實(shí)現(xiàn)即插即用。
圖2是一個(gè)典型的基于PCI總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)邏輯示意圖，系統(tǒng)的各個(gè)部分通過(guò)PCI總線和PCI-PCI橋連接在一起。從圖中不難看出，CPU和RAM需要通過(guò)PCI橋連接到PCI總線0（即主PCI總線），而具有PCI接口的顯卡則可以直接連接到主PCI總線上。PCI-PCI橋是一個(gè)特殊的PCI設(shè)備，它負(fù)責(zé)將PCI總線0和PCI總線1（即從PCI主線）連接在一起，通常PCI總線1稱為PCI-PCI橋的下游（downstream），而PCI總線0則稱為PCI-PCI橋的上游（upstream）。圖中連接到從PCI總線上的是SCSI卡和以太網(wǎng)卡。為了兼容舊的ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線還可以通過(guò)PCI-ISA橋來(lái)連接ISA總線，從而能夠支持以前的ISA設(shè)備。圖中ISA總線上連接著一個(gè)多功能I/O控制器，用于控制鍵盤、鼠標(biāo)和軟驅(qū)。
圖2 PCI系統(tǒng)示意圖
在此我只對(duì)PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)作了概括性介紹，如果讀者想進(jìn)一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel中對(duì)Linux的PCI子系統(tǒng)有比較詳細(xì)的介紹。
二、Linux驅(qū)動(dòng)程序框架
Linux將所有外部設(shè)備看成是一類特殊文件，稱之為“設(shè)備文件”，如果說(shuō)系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，那么設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則可以看成是Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件在實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來(lái)操作外部設(shè)備。
1. 字符設(shè)備和塊設(shè)備
Linux抽象了對(duì)硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以像普通文件一樣來(lái)看待：它們可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來(lái)完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個(gè)特殊的設(shè)備文件來(lái)表示，例如，系統(tǒng)中的第一個(gè)IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個(gè)設(shè)備文件對(duì)應(yīng)有兩個(gè)設(shè)備號(hào)：一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)該設(shè)備的種類，也標(biāo)識(shí)了該設(shè)備所使用的驅(qū)動(dòng)程序；另一個(gè)是次設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登錄該設(shè)備時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無(wú)法訪問(wèn)到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件：一類是字符設(shè)備，另一類則是塊設(shè)備。字符設(shè)備是以字節(jié)為單位逐個(gè)進(jìn)行I/O操作的設(shè)備，在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來(lái)說(shuō)字符設(shè)備中的緩存是可有可無(wú)的，而且也不支持隨機(jī)訪問(wèn)。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫請(qǐng)求時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序先查看緩沖區(qū)中的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求就返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應(yīng)的請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，其目的是避免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待操作的完成。一般說(shuō)來(lái)，PCI卡通常都屬于字符設(shè)備。
所有已經(jīng)注冊(cè)（即已經(jīng)加載了驅(qū)動(dòng)程序）的硬件設(shè)備的主設(shè)備號(hào)可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設(shè)備文件，同時(shí)為其分配相應(yīng)的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。例如，下面的命令：
[root@gary root]# mknod /dev/lp0 c 6 0
將建立一個(gè)主設(shè)備號(hào)為6，次設(shè)備號(hào)為0的字符設(shè)備文件/dev/lp0。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)δ硞�(gè)設(shè)備文件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，Linux內(nèi)核會(huì)根據(jù)該設(shè)備文件的設(shè)備類型和主設(shè)備號(hào)調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并從用戶態(tài)進(jìn)入到核心態(tài)，再由驅(qū)動(dòng)程序判斷該設(shè)備的次設(shè)備號(hào)，最終完成對(duì)相應(yīng)硬件的操作。
2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口
Linux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口，這是通過(guò)include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來(lái)完成的：
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
};
當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通過(guò)file_operations結(jié)構(gòu)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時(shí)，內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的read函數(shù)。
2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊
Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式進(jìn)行編譯，一種是直接靜態(tài)編譯成內(nèi)核的一部分，另一種則是編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊。如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)地卸載，不利于調(diào)試，所有推薦使用模塊方式。
從本質(zhì)上來(lái)講，模塊也是內(nèi)核的一部分，它不同于普通的應(yīng)用程序，不能調(diào)用位于用戶態(tài)下的C或者C++庫(kù)函數(shù)，而只能調(diào)用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)，在/proc/ksyms中可以查看到內(nèi)核提供的所有函數(shù)。
在以模塊方式編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)必不可少的函數(shù)init_module( )和cleanup_module( )，而且至少要包含<linux/krernel.h>和<linux/module.h>兩個(gè)頭文件。在用gcc編譯內(nèi)核模塊時(shí)，需要加上-DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX這幾個(gè)參數(shù)，編譯生成的模塊（一般為.o文件）可以使用命令insmod載入Linux內(nèi)核，從而成為內(nèi)核的一個(gè)組成部分，此時(shí)內(nèi)核會(huì)調(diào)用模塊中的函數(shù)init_module( )。當(dāng)不需要該模塊時(shí)，可以使用rmmod命令進(jìn)行卸載，此進(jìn)內(nèi)核會(huì)調(diào)用模塊中的函數(shù)cleanup_module( )。任何時(shí)候都可以使用命令來(lái)lsmod查看目前已經(jīng)加載的模塊以及正在使用該模塊的用戶數(shù)。
3. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)
了解設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)（或者稱為框架），對(duì)開發(fā)人員而言是非常重要的，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序大致可以分為如下幾個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷、設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理。
驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷
向系統(tǒng)增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序意味著要賦予它一個(gè)主設(shè)備號(hào)，這可以通過(guò)在驅(qū)動(dòng)程序的初始化過(guò)程中調(diào)用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來(lái)完成。而在關(guān)閉字符設(shè)備或者塊設(shè)備時(shí)，則需要通過(guò)調(diào)用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內(nèi)核中注銷設(shè)備，同時(shí)釋放占用的主設(shè)備號(hào)。
設(shè)備的打開與釋放
打開設(shè)備是通過(guò)調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open( )來(lái)完成的，它是驅(qū)動(dòng)程序用來(lái)為今后的操作完成初始化準(zhǔn)備工作的。在大部分驅(qū)動(dòng)程序中，open( )通常需要完成下列工作：
檢查設(shè)備相關(guān)錯(cuò)誤，如設(shè)備尚未準(zhǔn)備好等。
如果是第一次打開，則初始化硬件設(shè)備。
識(shí)別次設(shè)備號(hào)，如果有必要?jiǎng)t更新讀寫操作的當(dāng)前位置指針f_ops。
分配和填寫要放在file->private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
使用計(jì)數(shù)增1。
釋放設(shè)備是通過(guò)調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release( )來(lái)完成的，這個(gè)設(shè)備方法有時(shí)也被稱為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作：
使用計(jì)數(shù)減1。
釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。
如果使用計(jì)算為0，則關(guān)閉設(shè)備。
設(shè)備的讀寫操作
字符設(shè)備的讀寫操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單，直接使用函數(shù)read( )和write( )就可以了。但如果是塊設(shè)備的話，則需要調(diào)用函數(shù)block_read( )和block_write( )來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個(gè)函數(shù)將向設(shè)備請(qǐng)求表中增加讀寫請(qǐng)求，以便Linux內(nèi)核可以對(duì)請(qǐng)求順序進(jìn)行優(yōu)化。由于是對(duì)內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內(nèi)存緩沖區(qū)中沒(méi)有所要讀入的數(shù)據(jù)，或者需要執(zhí)行寫操作將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備，那么就要執(zhí)行真正的數(shù)據(jù)傳輸，這是通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blk_dev_struct中的函數(shù)request_fn( )來(lái)完成的。
設(shè)備的控制操作
除了讀寫操作外，應(yīng)用程序有時(shí)還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，這可以通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)ioctl( )來(lái)完成。ioctl( )的用法與具體設(shè)備密切關(guān)聯(lián)，因此需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。
設(shè)備的中斷和輪詢處理
對(duì)于不支持中斷的硬件設(shè)備，讀寫時(shí)需要輪流查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)，以便決定是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果設(shè)備支持中斷，則可以按中斷方式進(jìn)行操作。
三、PCI驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)
1. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
PCI設(shè)備上有三種地址空間：PCI的I/O空間、PCI的存儲(chǔ)空間和PCI的配置空間。CPU可以訪問(wèn)PCI設(shè)備上的所有地址空間，其中I/O空間和存儲(chǔ)空間提供給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用，而配置空間則由Linux內(nèi)核中的PCI初始化代碼使用。內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)所有PCI設(shè)備進(jìn)行初始化，配置好所有的PCI設(shè)備，包括中斷號(hào)以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI設(shè)備，以及這些設(shè)備的參數(shù)和屬性。
Linux驅(qū)動(dòng)程序通常使用結(jié)構(gòu)（struct）來(lái)表示一種設(shè)備，而結(jié)構(gòu)體中的變量則代表某一具體設(shè)備，該變量存放了與該設(shè)備相關(guān)的所有信息。好的驅(qū)動(dòng)程序都應(yīng)該能驅(qū)動(dòng)多個(gè)同種設(shè)備，每個(gè)設(shè)備之間用次設(shè)備號(hào)進(jìn)行區(qū)分，如果采用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)代表所有能由該驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，那么就可以簡(jiǎn)單地使用數(shù)組下標(biāo)來(lái)表示次設(shè)備號(hào)。
在PCI驅(qū)動(dòng)程序中，下面幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)起著非常核心的作用：
pci_driver
這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在文件include/linux/pci.h里，這是Linux內(nèi)核版本2.4之后為新型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所添加的，其中最主要的是用于識(shí)別設(shè)備的id_table結(jié)構(gòu)，以及用于檢測(cè)設(shè)備的函數(shù)probe( )和卸載設(shè)備的函數(shù)remove( )：
struct pci_driver {
struct list_head node;
char *name;
const struct pci_device_id *id_table;
int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);
void (*remove) (struct pci_dev *dev);
int (*save_state) (struct pci_dev *dev, u32 state);
int (*suspend)(struct pci_dev *dev, u32 state);
int (*resume) (struct pci_dev *dev);
int (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, u32 state, int enable);
};
pci_dev
這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也在文件include/linux/pci.h里，它詳細(xì)描述了一個(gè)PCI設(shè)備幾乎所有的硬件信息，包括廠商ID、設(shè)備ID、各種資源等：
struct pci_dev {
struct list_head global_list;
struct list_head bus_list;
struct pci_bus *bus;
struct pci_bus *subordinate;
void *sysdata;
struct proc_dir_entry *procent;
unsigned int devfn;
unsigned short vendor;
unsigned short device;
unsigned short subsystem_vendor;
unsigned short subsystem_device;
unsigned int class;
u8 hdr_type;
u8 rom_base_reg;
struct pci_driver *driver;
void *driver_data;
u64 dma_mask;
u32 current_state;
unsigned short vendor_compatible[DEVICE_COUNT_COMPATIBLE];
unsigned short device_compatible[DEVICE_COUNT_COMPATIBLE];
unsigned int irq;
struct resource resource[DEVICE_COUNT_RESOURCE];
struct resource dma_resource[DEVICE_COUNT_DMA];
struct resource irq_resource[DEVICE_COUNT_IRQ];
char name[80];
char slot_name[8];
int active;
int ro;
unsigned short regs;
int (*prepare)(struct pci_dev *dev);
int (*activate)(struct pci_dev *dev);
int (*deactivate)(struct pci_dev *dev);
};
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