PCI驱动程序实现分析报告.docx
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PCI驱动程序实现分析报告
PCI驱动程序实现分析报告
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（）：
structpci_driver{
structlist_headnode;
char*name;
conststructpci_device_id*id_table;
int（*probe）（structpci_dev*dev,conststructpci_device_id*id）;
void（*remove）（structpci_dev*dev）;
int（*save_state）（structpci_dev*dev,u32state）;
int（*suspend）（structpci_dev*dev,u32state）;
int（*resume）（structpci_dev*dev）;
int（*enable_wake）（structpci_dev*dev,u32state,intenable）;
};
∙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：
structpci_dev{
structlist_headglobal_list;
structlist_headbus_list;
structpci_bus*bus;
structpci_bus*subordinate;
void*sysdata;
structproc_dir_entry*procent;
unsignedintdevfn;
unsignedshortvendor;
unsignedshortdevice;
unsignedshortsubsystem_vendor;
unsignedshortsubsystem_device;
unsignedintclass;
u8hdr_type;
u8rom_base_reg;
structpci_driver*driver;
void*driver_data;
u64dma_mask;
u32current_state;
unsignedshortvendor_compatible[DEVICE_COUNT_COMPATIBLE];
unsignedshortdevice_compatible[DEVICE_COUNT_COMPATIBLE];
unsignedintirq;
structresourceresource[DEVICE_COUNT_RESOURCE];
structresourcedma_resource[DEVICE_COUNT_DMA];
structresourceirq_resource[DEVICE_COUNT_IRQ];
charname[80];
charslot_name[8];
intactive;
intro;
unsignedshortregs;
int（*prepare）（structpci_dev*dev）;
int（*activate）（structpci_dev*dev）;
int（*deactivate）（structpci_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*/
staticstructpci_device_iddemo_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*/
structdemo_card{
unsignedintmagic;
/*使用链表保存所有同类的PCI设备*/
structdemo_card*next;
/*...*/
}
/*中断处理模块*/
staticvoiddemo_interrupt（intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs）
{
/*...*/
}
/*设备文件操作接口*/
staticstructfile_operationsdemo_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*/
staticstructpci_driverdemo_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*/
/*...*/
};
staticint__initdemo_init_module（void）
{
/*...*/
}
staticvoid__exitdemo_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：
staticint__initdemo_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;
}
/*...*/
return0;
}
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_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。
staticint__initdemo_probe（structpci_dev*pci_dev,conststructpci_device_id*pci_id）
{
structdemo_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（structdemo_card）,GFP_KERNEL））==NULL）{
printk（KERN_ERR"pci_demo:
outofmemory\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]）;
return0;
}
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。
staticintdemo_open（structinode*inode,structfile*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：
staticintdemo_ioctl（structinode*inode,structfile*file,unsignedintcmd,unsignedlongarg）
{
/*...*/
switch（cmd）{
caseDEMO_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*/
return0;
}
/*...*/
}
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（BusMasterDMA）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。
staticvoiddemo_interrupt（intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs）
{
structdemo_card*card=（structdemo_card*）dev_id;
u32status;
spin_lock（&card->lock）;
/*识别中断*/
status=inl（card->iobase+GLOB_STA）;
if（!
（status&INT_MASK））
{
spin_unlock（&card->lock）;
return;/*notforus*/
}
/*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：
staticintdemo_release（structinode*inode,structfile*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pci_unregister_driver（）从Linux内核中注销设备驱动程序：
staticvoid__exitdemo_cleanup_module（void）
{
pci_unregister_driver（&demo_pci_driver）;
}
回页首
四、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。
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