PCI驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)（linux）收藏
 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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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
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

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