Linux下PCI设备驱动开发

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1. 关键数据结构

PCI设备上有三种地址空间：PCI的I/O空间、PCI的存储空间和PCI的配置空间。CPU可以
访问PCI设备上的所有地址空间，其中I/O空间和存储空间提供给设备驱动程序使用，而
配置空间则由Linux内核中的PCI初始化代码使用。内核在启动时负责对所有PCI设备进行
初始化，配置好所有的PCI设备，包括中断号以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所
有找到的PCI设备，以及这些设备的参数和属性。

Linux驱动程序通常使用结构（struct）来表示一种设备，而结构体中的变量则代表某一
具体设备，该变量存放了与该设备相关的所有信息。好的驱动程序都应该能驱动多个同
种设备，每个设备之间用次设备号进行区分，如果采用结构数据来代表所有能由该驱动
程序驱动的设备，那么就可以简单地使用数组下标来表示次设备号。

在PCI驱动程序中，下面几个关键数据结构起着非常核心的作用：

pci_driver
这个数据结构在文件include/linux/pci.h里，这是Linux内核版本2.4之后为新型的PCI
设备驱动程序所添加的，其中最主要的是用于识别设备的id_table结构，以及用于检测
设备的函数probe( )和卸载设备的函数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
这个数据结构也在文件include/linux/pci.h里，它详细描述了一个PCI设备几乎所有的
硬件信息，包括厂商ID、设备ID、各种资源等：


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);
};




2. 基本框架
在用模块方式实现PCI设备驱动程序时，通常至少要实现以下几个部分：初始化设备模块
、设备打开模块、数据读写和控制模块、中断处理模块、设备释放模块、设备卸载模块
。下面给出一个典型的PCI设备驱动程序的基本框架，从中不难体会到这几个关键模块是
如何组织起来的。


/* 指明该驱动程序适用于哪一些PCI设备 */
static struct pci_device_id demo_pci_tbl [] __initdata = {
    {PCI_VENDOR_ID_DEMO, PCI_DEVICE_ID_DEMO,
     PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, DEMO},
    {0,}
};

/* 对特定PCI设备进行描述的数据结构 */
struct demo_card {
    unsigned int magic;

    /* 使用链表保存所有同类的PCI设备 */
    struct demo_card *next;
   
    /* ... */
}

/* 中断处理模块 */
static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
    /* ... */
}

/* 设备文件操作接口 */
static struct file_operations demo_fops = {
    owner:      THIS_MODULE,   /* demo_fops所属的设备模块 */
    read:       demo_read,    /* 读设备操作*/
    write:      demo_write,    /* 写设备操作*/
    ioctl:      demo_ioctl,    /* 控制设备操作*/
    mmap:       demo_mmap,    /* 内存重映射操作*/
    open:       demo_open,    /* 打开设备操作*/
    release:    demo_release    /* 释放设备操作*/
    /* ... */
};

/* 设备模块信息 */
static struct pci_driver demo_pci_driver = {
    name:       demo_MODULE_NAME,    /* 设备模块名称 */
    id_table:   demo_pci_tbl,    /* 能够驱动的设备列表 */
    probe:      demo_probe,    /* 查找并初始化设备 */
    remove:     demo_remove    /* 卸载设备模块 */
    /* ... */
};

static int __init demo_init_module (void)
{
    /* ... */
}

static void __exit demo_cleanup_module (void)
{
    pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
}

/* 加载驱动程序模块入口 */
module_init(demo_init_module);

/* 卸载驱动程序模块入口 */
module_exit(demo_cleanup_module);




上面这段代码给出了一个典型的PCI设备驱动程序的框架，是一种相对固定的模式。需要
注意的是，同加载和卸载模块相关的函数或数据结构都要在前面加上__init、__exit等
标志符，以使同普通函数区分开来。构造出这样一个框架之后，接下去的工作就是如何
完成框架内的各个功能模块了。

3. 初始化设备模块

在Linux系统下，想要完成对一个PCI设备的初始化，需要完成以下工作：

检查PCI总线是否被Linux内核支持；
检查设备是否插在总线插槽上，如果在的话则保存它所占用的插槽的位置等信息。
读出配置头中的信息提供给驱动程序使用。
当Linux内核启动并完成对所有PCI设备进行扫描、登录和分配资源等初始化操作的同时
，会建立起系统中所有PCI设备的拓扑结构，此后当PCI驱动程序需要对设备进行初始化
时，一般都会调用如下的代码：


static int __init demo_init_module (void)
{
    /* 检查系统是否支持PCI总线 */
    if (!pci_present())
        return -ENODEV;

    /* 注册硬件驱动程序 */
    if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)) {
        pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
                return -ENODEV;
    }

    /* ... */
  
    return 0;
}




驱动程序首先调用函数pci_present( )检查PCI总线是否已经被Linux内核支持，如果系
统支持PCI总线结构，这个函数的返回值为0，如果驱动程序在调用这个函数时得到了一
个非0的返回值，那么驱动程序就必须得中止自己的任务了。在2.4以前的内核中，需要
手工调用pci_find_device( )函数来查找PCI设备，但在2.4以后更好的办法是调用pci_r
egister_driver( )函数来注册PCI设备的驱动程序，此时需要提供一个pci_driver结构
，在该结构中给出的probe探测例程将负责完成对硬件的检测工作。


static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct
pci_device_id *pci_id)
{
    struct demo_card *card;

    /* 启动PCI设备 */
    if (pci_enable_device(pci_dev))
        return -EIO;

    /* 设备DMA标识 */
    if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) {
        return -ENODEV;
    }

    /* 在内核空间中动态申请内存 */
    if ((card = kmalloc(sizeof(struct demo_card), GFP_KERNEL)) == NULL) {
        printk(KERN_ERR "pci_demo: out of memory\n");
        return -ENOMEM;
    }
    memset(card, 0, sizeof(*card));

    /* 读取PCI配置信息 */
    card->iobase = pci_resource_start (pci_dev, 1);
    card->pci_dev = pci_dev;
    card->pci_id = pci_id->device;
    card->irq = pci_dev->irq;
    card->next = devs;
    card->magic = DEMO_CARD_MAGIC;

    /* 设置成总线主DMA模式 */   
    pci_set_master(pci_dev);

    /* 申请I/O资源 */
    request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data]);

    return 0;
}




4. 打开设备模块

在这个模块里主要实现申请中断、检查读写模式以及申请对设备的控制权等。在申请控
制权的时候，非阻塞方式遇忙返回，否则进程主动接受调度，进入睡眠状态，等待其它
进程释放对设备的控制权。


static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    /* 申请中断，注册中断处理程序 */
    request_irq(card->irq, &demo_interrupt, SA_SHIRQ,
        card_names[pci_id->driver_data], card)) {

    /* 检查读写模式 */
    if(file->f_mode & FMODE_READ) {
        /* ... */
    }
    if(file->f_mode & FMODE_WRITE) {
       /* ... */
    }
   
    /* 申请对设备的控制权 */
    down(&card->open_sem);
    while(card->open_mode & file->f_mode) {
        if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {
            /* NONBLOCK模式，返回-EBUSY */
            up(&card->open_sem);
            return -EBUSY;
        } else {
            /* 等待调度，获得控制权 */
            card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE);
            up(&card->open_sem);

            /* 设备打开计数增1 */
            MOD_INC_USE_COUNT;

            /* ... */
        }
    }
}




5. 数据读写和控制信息模块

PCI设备驱动程序可以通过demo_fops 结构中的函数demo_ioctl( )，向应用程序提供对
硬件进行控制的接口。例如，通过它可以从I/O寄存器里读取一个数据，并传送到用户空
间里：


static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int
cmd, unsigned long arg)
{
    /* ... */
   
    switch(cmd) {
        case DEMO_RDATA:
            /* 从I/O端口读取4字节的数据 */
            val = inl(card->iobae + 0x10);
           
/* 将读取的数据传输到用户空间 */
            return 0;
    }
   
    /* ... */
}




事实上，在demo_fops里还可以实现诸如demo_read( )、demo_mmap( )等操作，Linux内
核源码中的driver目录里提供了许多设备驱动程序的源代码，找那里可以找到类似的例
子。在对资源的访问方式上，除了有I/O指令以外，还有对外设I/O内存的访问。对这些
内存的操作一方面可以通过把I/O内存重新映射后作为普通内存进行操作，另一方面也可
以通过总线主DMA（Bus Master DMA）的方式让设备把数据通过DMA传送到系统内存中。


6. 中断处理模块

PC的中断资源比较有限，只有0~15的中断号，因此大部分外部设备都是以共享的形式申
请中断号的。当中断发生的时候，中断处理程序首先负责对中断进行识别，然后再做进
一步的处理。


static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
    struct demo_card *card = (struct demo_card *)dev_id;
    u32 status;

    spin_lock(&card->lock);

    /* 识别中断 */
    status = inl(card->iobase + GLOB_STA);
    if(!(status & INT_MASK))
    {
        spin_unlock(&card->lock);
        return; /* not for us */
    }

    /* 告诉设备已经收到中断 */
    outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA);
    spin_unlock(&card->lock);
   
    /* 其它进一步的处理，如更新DMA缓冲区指针等 */
}




7. 释放设备模块

释放设备模块主要负责释放对设备的控制权，释放占用的内存和中断等，所做的事情正
好与打开设备模块相反：


static int demo_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    /* ... */
   
    /* 释放对设备的控制权 */
    card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE);
   
    /* 唤醒其它等待获取控制权的进程 */
    wake_up(&card->open_wait);
    up(&card->open_sem);
   
    /* 释放中断 */
    free_irq(card->irq, card);
   
    /* 设备打开计数增1 */
    MOD_DEC_USE_COUNT;
   
    /* ... */
}




8. 卸载设备模块

卸载设备模块与初始化设备模块是相对应的，实现起来相对比较简单，主要是调用函数p
ci_unregister_driver( )从Linux内核中注销设备驱动程序：


static void __exit demo_cleanup_module (void)
{
    pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
}



小结
PCI总线不仅是目前应用广泛的计算机总线标准，而且是一种兼容性最强、功能最全的计
算机总线。而Linux作为一种新的操作系统，其发展前景是无法估量的，同时也为PCI总
线与各种新型设备互连成为可能。由于Linux源码开放，因此给连接到PCI总线上的任何
设备编写驱动程序变得相对容易。本文介绍如何编译Linux下的PCI驱动程序，针对的内
核版本是2.4