Linux下PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)基本框架收藏
PCI是一種廣泛采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，它提供了許多優(yōu)于其它總線標(biāo)準(zhǔn)（如EISA）的新特性，目前已經(jīng)成為計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，并且最為通用的總線標(biāo)準(zhǔn)。Linux的內(nèi)核能較好地支持PCI總線，本文以Intel 386體系結(jié)構(gòu)為主，探討了在Linux下開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架。

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(kāi)，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（http://tldp.org/LDP/tlk/dd/pci.html）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(kāi)、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)。

3. 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( )，而且至少要包含和兩 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)。

4. 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(kāi)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(kāi)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(kāi)與釋放

打開(kāi)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：

1.檢查設(shè)備相關(guān)錯(cuò)誤，如設(shè)備尚未準(zhǔn)備好等。

2.如果是第一次打開(kāi)，則初始化硬件設(shè)備。

3.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。

4.分配和填寫要放在file->private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

5.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：

1.使用計(jì)數(shù)減1。

2.釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。

3.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);};

2. 基本框架

在用模塊方式實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，通常至少要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)部分：初始化設(shè)備模塊、設(shè)備打開(kāi)模塊、數(shù)據(jù)讀寫和控制模塊、中斷處理模塊、設(shè)備釋放模塊、設(shè)備卸載模塊。下面給出一個(gè)典型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架，從中不難體會(huì)到這幾個(gè)關(guān)鍵模塊是如何組織起來(lái)的。

/* 指明該驅(qū)動(dòng)程序適用于哪一些PCI設(shè)備 */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,}};/* 對(duì)特定PCI設(shè)備進(jìn)行描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */struct demo_card {    unsigned int magic;    /* 使用鏈表保存所有同類的PCI設(shè)備 */    struct demo_card *next;        /* ... */}/* 中斷處理模塊 */static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs){    /* ... */}/* 設(shè)備文件操作接口 */static struct file_operations demo_fops = {    owner:      THIS_MODULE,   /* demo_fops所屬的設(shè)備模塊 */    read:       demo_read,    /* 讀設(shè)備操作*/    write:      demo_write,    /* 寫設(shè)備操作*/    ioctl:      demo_ioctl,    /* 控制設(shè)備操作*/    mmap:       demo_mmap,    /* 內(nèi)存重映射操作*/    open:       demo_open,    /* 打開(kāi)設(shè)備操作*/    release:    demo_release    /* 釋放設(shè)備操作*/    /* ... */};/* 設(shè)備模塊信息 */static struct pci_driver demo_pci_driver = {    name:       demo_MODULE_NAME,    /* 設(shè)備模塊名稱 */    id_table:   demo_pci_tbl,    /* 能夠驅(qū)動(dòng)的設(shè)備列表 */    probe:      demo_probe,    /* 查找并初始化設(shè)備 */    remove:     demo_remove    /* 卸載設(shè)備模塊 */    /* ... */};static int __init demo_init_module (void){    /* ... */}static void __exit demo_cleanup_module (void){    pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);}/* 加載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */module_init(demo_init_module);/* 卸載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */module_exit(demo_cleanup_module);

上面這段代碼給出了一個(gè)典型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架，是一種相對(duì)固定的模式。需要注意的是，同加載和卸載模塊相關(guān)的函數(shù)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都要在前面加上 __init、__exit等標(biāo)志符，以使同普通函數(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)。構(gòu)造出這樣一個(gè)框架之后，接下去的工作就是如何完成框架內(nèi)的各個(gè)功能模塊了。

3. 初始化設(shè)備模塊

在Linux系統(tǒng)下，想要完成對(duì)一個(gè)PCI設(shè)備的初始化，需要完成以下工作：

檢查PCI總線是否被Linux內(nèi)核支持；

檢查設(shè)備是否插在總線插槽上，如果在的話則保存它所占用的插槽的位置等信息。

讀出配置頭中的信息提供給驅(qū)動(dòng)程序使用。

當(dāng)Linux內(nèi)核啟動(dòng)并完成對(duì)所有PCI設(shè)備進(jìn)行掃描、登錄和分配資源等初始化操作的同時(shí)，會(huì)建立起系統(tǒng)中所有PCI設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此后當(dāng)PCI驅(qū)動(dòng)程序需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化時(shí)，一般都會(huì)調(diào)用如下的代碼：

static int __init demo_init_module (void){    /* 檢查系統(tǒng)是否支持PCI總線 */    if (!pci_present())        return -ENODEV;    /* 注冊(cè)硬件驅(qū)動(dòng)程序 */    if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)) {        pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);                return -ENODEV;    }    /* ... */       return 0;}

驅(qū)動(dòng)程序首先調(diào)用函數(shù)pci_present( )檢查PCI總線是否已經(jīng)被Linux內(nèi)核支持，如果系統(tǒng)支持PCI總線結(jié)構(gòu)，這個(gè)函數(shù)的返回值為0，如果驅(qū)動(dòng)程序在調(diào)用這個(gè)函數(shù)時(shí)得到了一個(gè)非0的返回 值，那么驅(qū)動(dòng)程序就必須得中止自己的任務(wù)了。在2.4以前的內(nèi)核中，需要手工調(diào)用pci_find_device( )函數(shù)來(lái)查找PCI設(shè)備，但在2.4以后更好的辦法是調(diào)用pci_register_driver( )函數(shù)來(lái)注冊(cè)PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，此時(shí)需要提供一個(gè)pci_driver結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中給出的probe探測(cè)例程將負(fù)責(zé)完成對(duì)硬件的檢測(cè)工作。

 static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct pci_device_id *pci_id){    struct demo_card *card;    /* 啟動(dòng)PCI設(shè)備 */    if (pci_enable_device(pci_dev))        return -EIO;    /* 設(shè)備DMA標(biāo)識(shí) */    if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) {        return -ENODEV;    }    /* 在內(nèi)核空間中動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)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));    /* 讀取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;    /* 設(shè)置成總線主DMA模式 */        pci_set_master(pci_dev);    /* 申請(qǐng)I/O資源 */    request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data]);    return 0;}

4. 打開(kāi)設(shè)備模塊

在這個(gè)模塊里主要實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)中斷、檢查讀寫模式以及申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán)等。在申請(qǐng)控制權(quán)的時(shí)候，非阻塞方式遇忙返回，否則進(jìn)程主動(dòng)接受調(diào)度，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待其它進(jìn)程釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)。

static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file){    /* 申請(qǐng)中斷，注冊(cè)中斷處理程序 */    request_irq(card->irq, &demo_interrupt, SA_SHIRQ,        card_names[pci_id->driver_data], card)) {    /* 檢查讀寫模式 */    if(file->f_mode & FMODE_READ) {        /* ... */    }    if(file->f_mode & FMODE_WRITE) {       /* ... */    }        /* 申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán) */    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 {            /* 等待調(diào)度，獲得控制權(quán) */            card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE);            up(&card->open_sem);            /* 設(shè)備打開(kāi)計(jì)數(shù)增1 */            MOD_INC_USE_COUNT;            /* ... */        }    }}

5. 數(shù)據(jù)讀寫和控制信息模塊

PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以通過(guò)demo_fops 結(jié)構(gòu)中的函數(shù)demo_ioctl( )，向應(yīng)用程序提供對(duì)硬件進(jìn)行控制的接口。例如，通過(guò)它可以從I/O寄存器里讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，并傳送到用戶空間里：

static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg){    /* ... */        switch(cmd) {        case DEMO_RDATA:            /* 從I/O端口讀取4字節(jié)的數(shù)據(jù) */            val = inl(card->iobae + 0x10);            /* 將讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艨臻g */            return 0;    }        /* ... */}

事實(shí)上，在demo_fops里還可以實(shí)現(xiàn)諸如demo_read( )、demo_mmap( )等操作，Linux內(nèi)核源碼中的driver目錄里提供了許多設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的源代碼，找那里可以找到類似的例子。在對(duì)資源的訪問(wèn)方式上，除了有I/O指 令以外，還有對(duì)外設(shè)I/O內(nèi)存的訪問(wèn)。對(duì)這些內(nèi)存的操作一方面可以通過(guò)把I/O內(nèi)存重新映射后作為普通內(nèi)存進(jìn)行操作，另一方面也可以通過(guò)總線主DMA （Bus Master DMA）的方式讓設(shè)備把數(shù)據(jù)通過(guò)DMA傳送到系統(tǒng)內(nèi)存中。

6. 中斷處理模塊

PC的中斷資源比較有限，只有0~15的中斷號(hào)，因此大部分外部設(shè)備都是以共享的形式申請(qǐng)中斷號(hào)的。當(dāng)中斷發(fā)生的時(shí)候，中斷處理程序首先負(fù)責(zé)對(duì)中斷進(jìn)行識(shí)別，然后再做進(jìn)一步的處理。

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);    /* 識(shí)別中斷 */    status = inl(card->iobase + GLOB_STA);    if(!(status & INT_MASK))     {        spin_unlock(&card->lock);        return;  /* not for us */    }    /* 告訴設(shè)備已經(jīng)收到中斷 */    outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA);    spin_unlock(&card->lock);        /* 其它進(jìn)一步的處理，如更新DMA緩沖區(qū)指針等 */}

7. 釋放設(shè)備模塊

釋放設(shè)備模塊主要負(fù)責(zé)釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)，釋放占用的內(nèi)存和中斷等，所做的事情正好與打開(kāi)設(shè)備模塊相反：

static int demo_release(struct inode *inode, struct file *file){    /* ... */        /* 釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán) */    card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE);        /* 喚醒其它等待獲取控制權(quán)的進(jìn)程 */    wake_up(&card->open_wait);    up(&card->open_sem);        /* 釋放中斷 */    free_irq(card->irq, card);        /* 設(shè)備打開(kāi)計(jì)數(shù)增1 */    MOD_DEC_USE_COUNT;        /* ... */  }

8. 卸載設(shè)備模塊

卸載設(shè)備模塊與初始化設(shè)備模塊是相對(duì)應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要是調(diào)用函數(shù)pci_unregister_driver( )從Linux內(nèi)核中注銷設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：

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

四、小結(jié)

PCI總線不僅是目前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，而且是一種兼容性最強(qiáng)、功能最全的計(jì)算機(jī)總線。而Linux作為一種新的操作系統(tǒng)，其發(fā)展前景是無(wú)法估量 的，同時(shí)也為PCI總線與各種新型設(shè)備互連成為可能。由于Linux源碼開(kāi)放，因此給連接到PCI總線上的任何設(shè)備編寫驅(qū)動(dòng)程序變得相對(duì)容易。本文介紹如 何編譯Linux下的PCI驅(qū)動(dòng)程序，針對(duì)的內(nèi)核版本是2.4。

參考資料： David A Rusling在 The Linux Kernel中對(duì)Linux的PCI子系統(tǒng)進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹。

Linux PCI-HOWTO是了解Linux下PCI設(shè)備的最好讀物。

毛德操，胡希明，Linux內(nèi)核源代碼情景分析，杭州：浙江大學(xué)出版社，2001

Alessandro Rubini,，Linux Device Drivers（2nd Edition） USA：O’Reilly，2001

Tomshanley，DonAderson，PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第四版），北京：電子工業(yè)出版社，2000

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