Linux下PCI設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

　　一、PCI總線(xiàn)系統體系結構

　　PCI是外圍設備互連（Peripheral Component Interconnect）的簡(jiǎn)稱(chēng)，作為一種通用的總線(xiàn)接口標準，它在目前的計算機系統中得到了非常廣泛的應用。PCI提供了一組完整的總線(xiàn)接口規范，其目的是描述如何將計算機系統中的外圍設備以一種結構化和可控化的方式連接在一起，同時(shí)它還刻畫(huà)了外圍設備在連接時(shí)的電氣特性和行為規約，并且詳細定義了計算機系統中的各個(gè)不同部件之間應該如何正確地進(jìn)行交互。

　　無(wú)論是在基于Intel芯片的PC機中，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(xiàn)接口標準。同舊式的ISA總線(xiàn)不同，PCI將計算機系統中的總線(xiàn)子系統與存儲子系統完全地分開(kāi)，CPU通過(guò)一塊稱(chēng)為PCI橋（PCI-Bridge）的設備來(lái)完成同總線(xiàn)子系統的交互，如圖1所示。

圖1 PCI子系統的體系結構
 

　　由于使用了更高的時(shí)鐘頻率，因此PCI總線(xiàn)能夠獲得比ISA總線(xiàn)更好的整體性能。PCI總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率一般在25MHz到33MHz范圍內，有些甚至能夠達到66MHz或者133MHz，而在64位系統中則最高能達到266MHz。盡管目前PCI設備大多采用32位數據總線(xiàn)，但PCI規范中已經(jīng)給出了64位的擴展實(shí)現，從而使PCI總線(xiàn)能夠更好地實(shí)現平臺無(wú)關(guān)性，現在PCI總線(xiàn)已經(jīng)能夠用于IA-32、Alpha、PowerPC、SPARC64和IA-64等體系結構中。

　　PCI總線(xiàn)具有三個(gè)非常顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，使得它能夠完成最終取代ISA總線(xiàn)這一歷史使命：

　　·在計算機和外設間傳輸數據時(shí)具有更好的性能；
　　·能夠盡量獨立于具體的平臺；
　　·可以很方便地實(shí)現即插即用。

　　圖2是一個(gè)典型的基于PCI總線(xiàn)的計算機系統邏輯示意圖，系統的各個(gè)部分通過(guò)PCI總線(xiàn)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(xiàn)0（即主PCI總線(xiàn)），而具有PCI接口的顯卡則可以直接連接到主PCI總線(xiàn)上。PCI-PCI橋是一個(gè)特殊的PCI設備，它負責將PCI總線(xiàn)0和PCI總線(xiàn)1（即從PCI主線(xiàn)）連接在一起，通常PCI總線(xiàn)1稱(chēng)為PCI-PCI橋的下游（downstream），而PCI總線(xiàn)0則稱(chēng)為PCI-PCI橋的上游（upstream）。圖中連接到從PCI總線(xiàn)上的是SCSI卡和以太網(wǎng)卡。為了兼容舊的ISA總線(xiàn)標準，PCI總線(xiàn)還可以通過(guò)PCI-ISA橋來(lái)連接ISA總線(xiàn)，從而能夠支持以前的ISA設備。圖中ISA總線(xiàn)上連接著(zhù)一個(gè)多功能I/O控制器，用于控制鍵盤(pán)、鼠標和軟驅。

圖2 PCI系統示意圖
 

　　在此我只對PCI總線(xiàn)系統體系結構作了概括性介紹，如果讀者想進(jìn)一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel中對Linux的PCI子系統有比較詳細的介紹。

　　二、Linux驅動(dòng)程序框架

　　Linux將所有外部設備看成是一類(lèi)特殊文件，稱(chēng)之為“設備文件”，如果說(shuō)系統調用是Linux內核和應用程序之間的接口，那么設備驅動(dòng)程序則可以看成是Linux內核與外部設備之間的接口。設備驅動(dòng)程序向應用程序屏蔽了硬件在實(shí)現上的細節，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來(lái)操作外部設備。 

　　1. 字符設備和塊設備

　　Linux抽象了對硬件的處理，所有的硬件設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、標準的系統調用接口來(lái)完成打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)和I/O控制操作，而驅動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現這些系統調用函數。Linux系統中的所有硬件設備都使用一個(gè)特殊的設備文件來(lái)表示，例如，系統中的第一個(gè)IDE硬盤(pán)使用/dev/hda表示。每個(gè)設備文件對應有兩個(gè)設備號：一個(gè)是主設備號，標識該設備的種類(lèi)，也標識了該設備所使用的驅動(dòng)程序；另一個(gè)是次設備號，標識使用同一設備驅動(dòng)程序的不同硬件設備。設備文件的主設備號必須與設備驅動(dòng)程序在登錄該設備時(shí)申請的主設備號一致，否則用戶(hù)進(jìn)程將無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)到設備驅動(dòng)程序。 

　　在Linux操作系統下有兩類(lèi)主要的設備文件：一類(lèi)是字符設備，另一類(lèi)則是塊設備。字符設備是以字節為單位逐個(gè)進(jìn)行I/O操作的設備，在對字符設備發(fā)出讀寫(xiě)請求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O緊接著(zhù)就發(fā)生了，一般來(lái)說(shuō)字符設備中的緩存是可有可無(wú)的，而且也不支持隨機訪(fǎng)問(wèn)。塊設備則是利用一塊系統內存作為緩沖區，當用戶(hù)進(jìn)程對設備進(jìn)行讀寫(xiě)請求時(shí)，驅動(dòng)程序先查看緩沖區中的內容，如果緩沖區中的數據能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求就返回相應的數據，否則就調用相應的請求函數來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設備主要是針對磁盤(pán)等慢速設備設計的，其目的是避免耗費過(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備。 

　　所有已經(jīng)注冊（即已經(jīng)加載了驅動(dòng)程序）的硬件設備的主設備號可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創(chuàng )建指定類(lèi)型的設備文件，同時(shí)為其分配相應的主設備號和次設備號。例如，下面的命令： 

　　[root@gary root]# mknod  /dev/lp0  c  6  0 
 
　　將建立一個(gè)主設備號為6，次設備號為0的字符設備文件/dev/lp0。當應用程序對某個(gè)設備文件進(jìn)行系統調用時(shí)，Linux內核會(huì )根據該設備文件的設備類(lèi)型和主設備號調用相應的驅動(dòng)程序，并從用戶(hù)態(tài)進(jìn)入到核心態(tài)，再由驅動(dòng)程序判斷該設備的次設備號，最終完成對相應硬件的操作。 

　　2. 設備驅動(dòng)程序接口

　　Linux中的I/O子系統向內核中的其他部分提供了一個(gè)統一的標準設備接口，這是通過(guò)include/linux/fs.h中的數據結構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);
　　}; 
 
　　當應用程序對設備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等操作時(shí)，Linux內核將通過(guò)file_operations結構訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序提供的函數。例如，當應用程序對設備文件執行讀操作時(shí)，內核將調用file_operations結構中的read函數。 

　　2. 設備驅動(dòng)程序模塊

　　Linux下的設備驅動(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)內核的話(huà)，會(huì )增加內核的大小，還要改動(dòng)內核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)地卸載，不利于調試，所有推薦使用模塊方式。 

　　從本質(zhì)上來(lái)講，模塊也是內核的一部分，它不同于普通的應用程序，不能調用位于用戶(hù)態(tài)下的C或者C++庫函數，而只能調用Linux內核提供的函數，在/proc/ksyms中可以查看到內核提供的所有函數。 

　　在以模塊方式編寫(xiě)驅動(dòng)程序時(shí)，要實(shí)現兩個(gè)必不可少的函數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編譯內核模塊時(shí)，需要加上-DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX這幾個(gè)參數，編譯生成的模塊（一般為.o文件）可以使用命令insmod載入Linux內核，從而成為內核的一個(gè)組成部分，此時(shí)內核會(huì )調用模塊中的函數init_module( )。當不需要該模塊時(shí)，可以使用rmmod命令進(jìn)行卸載，此進(jìn)內核會(huì )調用模塊中的函數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(hù)數。 

　　3. 設備驅動(dòng)程序結構

　　了解設備驅動(dòng)程序的基本結構（或者稱(chēng)為框架），對開(kāi)發(fā)人員而言是非常重要的，Linux的設備驅動(dòng)程序大致可以分為如下幾個(gè)部分：驅動(dòng)程序的注冊與注銷(xiāo)、設備的打開(kāi)與釋放、設備的讀寫(xiě)操作、設備的控制操作、設備的中斷和輪詢(xún)處理。 

　　驅動(dòng)程序的注冊與注銷(xiāo) 
　　向系統增加一個(gè)驅動(dòng)程序意味著(zhù)要賦予它一個(gè)主設備號，這可以通過(guò)在驅動(dòng)程序的初始化過(guò)程中調用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來(lái)完成。而在關(guān)閉字符設備或者塊設備時(shí)，則需要通過(guò)調用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內核中注銷(xiāo)設備，同時(shí)釋放占用的主設備號。 

　　設備的打開(kāi)與釋放 
　　打開(kāi)設備是通過(guò)調用file_operations結構中的函數open( )來(lái)完成的，它是驅動(dòng)程序用來(lái)為今后的操作完成初始化準備工作的。在大部分驅動(dòng)程序中，open( )通常需要完成下列工作： 

　　·檢查設備相關(guān)錯誤，如設備尚未準備好等。 
　　·如果是第一次打開(kāi)，則初始化硬件設備。 
　　·識別次設備號，如果有必要則更新讀寫(xiě)操作的當前位置指針f_ops。 
　　·分配和填寫(xiě)要放在file->private_data里的數據結構。 
　　·使用計數增1。  

　　釋放設備是通過(guò)調用file_operations結構中的函數release( )來(lái)完成的，這個(gè)設備方法有時(shí)也被稱(chēng)為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作： 

　　·使用計數減1。 
　　·釋放在file->private_data中分配的內存。 
　　·如果使用計算為0，則關(guān)閉設備。  

　　設備的讀寫(xiě)操作  
　　字符設備的讀寫(xiě)操作相對比較簡(jiǎn)單，直接使用函數read( )和write( )就可以了。但如果是塊設備的話(huà)，則需要調用函數block_read( )和block_write( )來(lái)進(jìn)行數據讀寫(xiě)，這兩個(gè)函數將向設備請求表中增加讀寫(xiě)請求，以便Linux內核可以對請求順序進(jìn)行優(yōu)化。由于是對內存緩沖區而不是直接對設備進(jìn)行操作的，因此能很大程度上加快讀寫(xiě)速度。如果內存緩沖區中沒(méi)有所要讀入的數據，或者需要執行寫(xiě)操作將數據寫(xiě)入設備，那么就要執行真正的數據傳輸，這是通過(guò)調用數據結構blk_dev_struct中的函數request_fn( )來(lái)完成的。 

　　設備的控制操作 
　　除了讀寫(xiě)操作外，應用程序有時(shí)還需要對設備進(jìn)行控制，這可以通過(guò)設備驅動(dòng)程序中的函數ioctl( )來(lái)完成。ioctl( )的用法與具體設備密切關(guān)聯(lián)，因此需要根據設備的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。 

　　設備的中斷和輪詢(xún)處理 
　　對于不支持中斷的硬件設備，讀寫(xiě)時(shí)需要輪流查詢(xún)設備狀態(tài)，以便決定是否繼續進(jìn)行數據傳輸。如果設備支持中斷，則可以按中斷方式進(jìn)行操作。 

　　三、PCI驅動(dòng)程序實(shí)現

　　1. 關(guān)鍵數據結構

　　PCI設備上有三種地址空間：PCI的I/O空間、PCI的存儲空間和PCI的配置空間。CPU可以訪(fǎng)問(wèn)PCI設備上的所有地址空間，其中I/O空間和存儲空間提供給設備驅動(dòng)程序使用，而配置空間則由Linux內核中的PCI初始化代碼使用。內核在啟動(dòng)時(shí)負責對所有PCI設備進(jìn)行初始化，配置好所有的PCI設備，包括中斷號以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI設備，以及這些設備的參數和屬性。 

　　Linux驅動(dòng)程序通常使用結構（struct）來(lái)表示一種設備，而結構體中的變量則代表某一具體設備，該變量存放了與該設備相關(guān)的所有信息。好的驅動(dòng)程序都應該能驅動(dòng)多個(gè)同種設備，每個(gè)設備之間用次設備號進(jìn)行區分，如果采用結構數據來(lái)代表所有能由該驅動(dòng)程序驅動(dòng)的設備，那么就可以簡(jiǎn)單地使用數組下標來(lái)表示次設備號。 

　　在PCI驅動(dòng)程序中，下面幾個(gè)關(guān)鍵數據結構起著(zhù)非常核心的作用： 

　　pci_driver 
　　這個(gè)數據結構在文件include/linux/pci.h里，這是Linux內核版本2.4之后為新型的PCI設備驅動(dòng)程序所添加的，其中最主要的是用于識別設備的id_table結構，以及用于檢測設備的函數probe( )和卸載設備的函數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)數據結構也在文件include/linux/pci.h里，它詳細描述了一個(gè)PCI設備幾乎所有的硬件信息，包括廠(chǎng)商ID、設備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);
　　};