基于Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PCI總線接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

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

inux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)。

2. 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)。

3. 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：

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

如果是第一次打開(kāi)，則初始化硬件設(shè)備

。

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。

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

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：

使用計(jì)數(shù)減1。

釋放在file-》private_data中分配的內(nèi)存。

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。

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