Linux下PCI設(shè)備驅(qū)動程序開發(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）的簡稱，作為一種通用的總線接口標準，它在目前的計算機系統(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算機系統(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，同時它還刻畫了外圍設(shè)備在連接時的電氣特性和行為規(guī)約，并且詳細定義了計算機系統(tǒng)中的各個不同部件之間應(yīng)該如何正確地進行交互。

　　無論是在基于Intel芯片的PC機中，或是在基于Alpha芯片的工作站上，PCI毫無疑問都是目前使用最廣泛的一種總線接口標準。同舊式的ISA總線不同，PCI將計算機系統(tǒng)中的總線子系統(tǒng)與存儲子系統(tǒng)完全地分開，CPU通過一塊稱為PCI橋（PCI-Bridge）的設(shè)備來完成同總線子系統(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總線的時鐘頻率一般在25MHz到33MHz范圍內(nèi)，有些甚至能夠達到66MHz或者133MHz，而在64位系統(tǒng)中則最高能達到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位的擴展實現(xiàn)，從而使PCI總線能夠更好地實現(xiàn)平臺無關(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總線具有三個非常顯著的優(yōu)點，使得它能夠完成最終取代ISA總線這一歷史使命：

　　·在計算機和外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)時具有更好的性能；
　　·能夠盡量獨立于具體的平臺；
　　·可以很方便地實現(xiàn)即插即用。

　　圖2是一個典型的基于PCI總線的計算機系統(tǒng)邏輯示意圖，系統(tǒng)的各個部分通過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橋是一個特殊的PCI設(shè)備，它負責(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總線標準，PCI總線還可以通過PCI-ISA橋來連接ISA總線，從而能夠支持以前的ISA設(shè)備。圖中ISA總線上連接著一個多功能I/O控制器，用于控制鍵盤、鼠標和軟驅(qū)。

圖2 PCI系統(tǒng)示意圖
 

　　在此我只對PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)作了概括性介紹，如果讀者想進一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel中對Linux的PCI子系統(tǒng)有比較詳細的介紹。

　　二、Linux驅(qū)動程序框架

　　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)動程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件在實現(xiàn)上的細節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備。 

　　1. 字符設(shè)備和塊設(shè)備

　　Linux抽象了對硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以像普通文件一樣來看待：它們可以使用和操作文件相同的、標準的系統(tǒng)調(diào)用接口來完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動程序的主要任務(wù)也就是要實現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個特殊的設(shè)備文件來表示，例如，系統(tǒng)中的第一個IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個設(shè)備文件對應(yīng)有兩個設(shè)備號：一個是主設(shè)備號，標識該設(shè)備的種類，也標識了該設(shè)備所使用的驅(qū)動程序；另一個是次設(shè)備號，標識使用同一設(shè)備驅(qū)動程序的不同硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號必須與設(shè)備驅(qū)動程序在登錄該設(shè)備時申請的主設(shè)備號一致，否則用戶進程將無法訪問到設(shè)備驅(qū)動程序。 

　　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)為單位逐個進行I/O操作的設(shè)備，在對字符設(shè)備發(fā)出讀寫請求時，實際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來說字符設(shè)備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機訪問。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當用戶進程對設(shè)備進行讀寫請求時，驅(qū)動程序先查看緩沖區(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)的請求函數(shù)來進行實際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計的，其目的是避免耗費過多的CPU時間來等待操作的完成。一般說來，PCI卡通常都屬于字符設(shè)備。 

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

　　[root@gary root]# mknod  /dev/lp0  c  6  0 
 
　　將建立一個主設(shè)備號為6，次設(shè)備號為0的字符設(shè)備文件/dev/lp0。當應(yīng)用程序?qū)δ硞€設(shè)備文件進行系統(tǒng)調(diào)用時，Linux內(nèi)核會根據(jù)該設(shè)備文件的設(shè)備類型和主設(shè)備號調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序，并從用戶態(tài)進入到核心態(tài)，再由驅(qū)動程序判斷該設(shè)備的次設(shè)備號，最終完成對相應(yīng)硬件的操作。 

　　2. 設(shè)備驅(qū)動程序接口

　　Linux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個統(tǒng)一的標準設(shè)備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的： 

　　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(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進行諸如open、close、read、write等操作時，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)。例如，當應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時，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)動程序模塊

　　Linux下的設(shè)備驅(qū)動程序可以按照兩種方式進行編譯，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態(tài)加載的模塊。如果編譯進內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(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)動程序時，要實現(xiàn)兩個必不可少的函數(shù)init_module( )和cleanup_module( )，而且至少要包含<linux/krernel.h>和<linux/module.h>兩個頭文件。在用gcc編譯內(nèi)核模塊時，需要加上-DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX這幾個參數(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)核的一個組成部分，此時內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)init_module( )。當不需要該模塊時，可以使用rmmod命令進行卸載，此進內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)cleanup_module( )。任何時候都可以使用命令來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)動程序結(jié)構(gòu)

　　了解設(shè)備驅(qū)動程序的基本結(jié)構(gòu)（或者稱為框架），對開發(fā)人員而言是非常重要的，Linux的設(shè)備驅(qū)動程序大致可以分為如下幾個部分：驅(qū)動程序的注冊與注銷、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)動程序的注冊與注銷 
　　向系統(tǒng)增加一個驅(qū)動程序意味著要賦予它一個主設(shè)備號，這可以通過在驅(qū)動程序的初始化過程中調(diào)用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來完成。而在關(guān)閉字符設(shè)備或者塊設(shè)備時，則需要通過調(diào)用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內(nèi)核中注銷設(shè)備，同時釋放占用的主設(shè)備號。 

　　設(shè)備的打開與釋放 
　　打開設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open( )來完成的，它是驅(qū)動程序用來為今后的操作完成初始化準備工作的。在大部分驅(qū)動程序中，open( )通常需要完成下列工作： 

　　·檢查設(shè)備相關(guān)錯誤，如設(shè)備尚未準備好等。 
　　·如果是第一次打開，則初始化硬件設(shè)備。 
　　·識別次設(shè)備號，如果有必要則更新讀寫操作的當前位置指針f_ops。 
　　·分配和填寫要放在file->private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 
　　·使用計數(shù)增1。  

　　釋放設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release( )來完成的，這個設(shè)備方法有時也被稱為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作： 

　　·使用計數(shù)減1。 
　　·釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。 
　　·如果使用計算為0，則關(guān)閉設(shè)備。  

　　設(shè)備的讀寫操作  
　　字符設(shè)備的讀寫操作相對比較簡單，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( )來進行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個函數(shù)將向設(shè)備請求表中增加讀寫請求，以便Linux內(nèi)核可以對請求順序進行優(yōu)化。由于是對內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對設(shè)備進行操作的，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，這是通過調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blk_dev_struct中的函數(shù)request_fn( )來完成的。 

　　設(shè)備的控制操作 
　　除了讀寫操作外，應(yīng)用程序有時還需要對設(shè)備進行控制，這可以通過設(shè)備驅(qū)動程序中的函數(shù)ioctl( )來完成。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)備的實際情況進行具體分析。 

　　設(shè)備的中斷和輪詢處理 
　　對于不支持中斷的硬件設(shè)備，讀寫時需要輪流查詢設(shè)備狀態(tài)，以便決定是否繼續(xù)進行數(shù)據(jù)傳輸。如果設(shè)備支持中斷，則可以按中斷方式進行操作。 

　　三、PCI驅(qū)動程序?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的存儲空間和PCI的配置空間。CPU可以訪問PCI設(shè)備上的所有地址空間，其中I/O空間和存儲空間提供給設(shè)備驅(qū)動程序使用，而配置空間則由Linux內(nèi)核中的PCI初始化代碼使用。內(nèi)核在啟動時負責(zé)對所有PCI設(shè)備進行初始化，配置好所有的PCI設(shè)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(shè)備，以及這些設(shè)備的參數(shù)和屬性。 

　　Linux驅(qū)動程序通常使用結(jié)構(gòu)（struct）來表示一種設(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)動程序都應(yīng)該能驅(qū)動多個同種設(shè)備，每個設(shè)備之間用次設(shè)備號進行區(qū)分，如果采用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來代表所有能由該驅(qū)動程序驅(qū)動的設(shè)備，那么就可以簡單地使用數(shù)組下標來表示次設(shè)備號。 

　　在PCI驅(qū)動程序中，下面幾個關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)起著非常核心的作用： 

　　pci_driver 
　　這個數(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)動程序所添加的，其中最主要的是用于識別設(shè)備的id_table結(jié)構(gòu)，以及用于檢測設(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 
　　這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也在文件include/linux/pci.h里，它詳細描述了一個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);
　　};