Linux2.6内核PCI驱动程序开发

一， PCI相关数据结构说明

1.1 struct pci_driver

这个数据结构在文件/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);

}; 

为创建一个正确的struct pci_driver 结构, 只有4个字段需要被初始化:name,id_table,probe和remove。

其中id_table初始化可以用到宏PCI_DEVICE(VENDOR_ID,DEVICE_ID)，VENDOR_ID和DEVICE_ID分别为设备和厂商编号，由板卡生产厂家指定。

static const struct pci_device_id mypci[] =

{

{

PCI_DEVICE(VENDOR_ID,DEVICE_ID)

},

{}

};

1.2 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。可以根据需要使用其中的数据成员。 

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);

};

二， PCI驱动基本框架

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。

/* 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)

{

   pci_register_driver(&demo_pci_driver);

}

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);

三， PCI设备操作实现

3.1设备初始化

在demo_init_module 中，用pci_register_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。 

在probe函数中，需要实现以下几个功能：

（1）使能PCI

在 PCI 驱动的探测函数中, 在驱动可存取 PCI 设备的任何设备资源(I/O 区或者中断)之前, 驱动必须调用 pci_enable_device 函数:

int pci_enable_device(struct pci_dev *dev); 

这个函数实际上使能设备. 它唤醒设备以及在某些情况下也分配它的中断线和 I/O 区. 例如, 这发生在 CardBus 设备上(它在驱动层次上已经完全和 PCI 等同了).

(2)请求PCI资源

在初始化中很重要的一个操作就是让系统为PCI分配资源，如I/O端口等。

pci_resource_regions(struct pci_dev  *dev, char * name);

(3)存取配置空间

因为微处理器无法直接存取配置空间, 计算机供应商不得不提供一个方法来完成它. 为存取配置空间, CPU 必须写和读 PCI 控制器中的寄存器, 但是确切的实现是依赖于供应商的, 并且和这个讨论无关, 因为 Linux提供了一个标准接口来存取配置空间.

对于驱动, 配置空间可通过8-位, 16-位, 或者 32-位数据传输来存取. 相关的函数原型定义于 :

int pci_read_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 *val); 

int pci_read_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 *val); 

int pci_read_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 *val); 

从由 dev 所标识出的设备的配置空间读 1 个, 2 个或者 4 个字节. where 参数是从配置空间开始的字节偏移. 从配置空间取得的值通过 val 指针返回, 并且这个函数的返回值是一个错误码. word 和 dword 函数转换刚刚读的值从小端到处理器的本地字节序, 因此你不必处理字节序.

int pci_write_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 val); 

int pci_write_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 val); 

int pci_write_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 val);

（4）映射 I/O 和内存空间

每个PCI可以有1-6个I/O或者内存空间，并且每块空间都有一个BAR寄存器与其空间首地址想对应。BAR0-6寄存器的最后一位为只读，为1则说明该空间为I/O，否则为MEM。

下面以BAR0为例介绍如何映射空间到虚拟内存，以便用户访问。

LocalAddr0 = pci_resource_start(dev,0); //得到BAR0区域的开始地址

Map0 = (unsigned char *)ioremap(LocalAddr0, pci_resource_len(dev,0)); //将BAR0区域影射到内存虚拟地址

如果ioremap函数出现问题，可以尝试ioport_map和pci_iomap。这样以后就可以针对Map0进行读写，而忽略具体硬件是I/O或是MEM的细节。

（5）注册中断

int request_irq( unsigned int irq,

                irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *),

                unsigned long flags,

                const char *dev_name,

                void *dev_id);

从 request_irq 返回给请求函数的返回值或者是 0 指示成功, 或者是一个负的错误码, 如同平常. 函数返回 -EBUSY 来指示另一个驱动已经使用请求的中断线是不寻常的.

3.2数据读写

使用在初始化过程中影射后的虚拟内存地址（Map0）进行读写，并转换到用户空间，最后传给应用程序。可以使用以下读写函数：

unsigned int ioread8(void *addr);

unsigned int ioread16(void *addr);

unsigned int ioread32(void *addr);

这里, addr 应当是从 ioremap 获得的地址(也许与一个整型偏移); 返回值是从给定 I/O 内存读取的.有类似的一系列函数来写 I/O 内存:

void iowrite8(u8 value, void *addr);

void iowrite16(u16 value, void *addr);

void iowrite32(u32 value, void *addr);

你可以使用这些函数的重复版本，

void ioread8_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);

void ioread16_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);

void ioread32_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);

void iowrite8_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);

void iowrite16_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);

void iowrite32_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);

这些函数读或写从给定的 buf 到 给定的 addr共count 次. 

需要操作一块 I/O 地址, 你可使用下列之一:

void memset_io(void *addr, u8 value, unsigned int count);

void memcpy_fromio(void *dest, void *source, unsigned int count);

void memcpy_toio(void *dest, void *source, unsigned int count);

3.3中断处理

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。 

irqreturn_t short_interrupt(int irq, void *dev, struct pt_regs *regs);

在该函数中实现中断服务，每次硬件检测到中断，都会调用该函数。

3.4释放设备

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，所做的事情正好与设备初始化相反。

在demo_cleanup_module中卸载PCI驱动：

pci_unregister_driver()

在pci_driver的remove中释放所请求的资源：

iounmap(Map0);

free_irq(int irq,pci_dev *dev)

pci_release_regions(pci_dev *dev)

3.5Makefile文件的编写

PWD = $(shell pwd)

KERNEL_SRC=/usr/src/linux

obj-m :=mypci.o

module_objs := mypci.o

all:

$(MAKE) –C $( KERNEL_SRC) M=$(PWD) modules

clean:

rm *.ro

rm *.o