Linux下PCI設備驅(qū)動程序開發(fā)

肖文鵬 (xiaowp@263.net), 碩士研究生, 北京理工大學計算機系

2004 年 3 月 09 日

PCI是一種廣泛采用的總線標準，它提供了許多優(yōu)于其它總線標準（如EISA）的新特性，目前已經(jīng)成為計算機系統(tǒng)中應用最為廣泛，并且最為通用的總線標準。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下開發(fā)PCI設備驅(qū)動程序的基本框架。

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PCI是外圍設備互連（Peripheral Component Interconnect）的簡稱，作為一種通用的總線接口標準，它在目前的計算機系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應用。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算機系統(tǒng)中的外圍設備以一種結(jié)構(gòu)化和可控化的方式連接在一起，同時它還刻畫了外圍設備在連接時的電氣特性和行為規(guī)約，并且詳細定義了計算機系統(tǒng)中的各個不同部件之間應該如何正確地進行交互。

無論是在基于Intel芯片的PC機中，或是在基于Alpha芯片的工作站上，PCI毫無疑問都是目前使用最廣泛的一種總線接口標準。同舊式的ISA總線不同，PCI將計算機系統(tǒng)中的總線子系統(tǒng)與存儲子系統(tǒng)完全地分開，CPU通過一塊稱為PCI橋（PCI-Bridge）的設備來完成同總線子系統(tǒng)的交互，如圖1所示。

由于使用了更高的時鐘頻率，因此PCI總線能夠獲得比ISA總線更好的整體性能。PCI總線的時鐘頻率一般在25MHz到33MHz范圍內(nèi)，有些甚至能夠達到66MHz或者133MHz，而在64位系統(tǒng)中則最高能達到266MHz。盡管目前PCI設備大多采用32位數(shù)據(jù)總線，但PCI規(guī)范中已經(jīng)給出了64位的擴展實現(xiàn)，從而使PCI總線能夠更好地實現(xiàn)平臺無關(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總線具有三個非常顯著的優(yōu)點，使得它能夠完成最終取代ISA總線這一歷史使命：

• 在計算機和外設間傳輸數(shù)據(jù)時具有更好的性能；
• 能夠盡量獨立于具體的平臺；
• 可以很方便地實現(xiàn)即插即用。

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圖2是一個典型的基于PCI總線的計算機系統(tǒng)邏輯示意圖，系統(tǒng)的各個部分通過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橋是一個特殊的PCI設備，它負責將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總線標準，PCI總線還可以通過PCI-ISA橋來連接ISA總線，從而能夠支持以前的ISA設備。圖中ISA總線上連接著一個多功能I/O控制器，用于控制鍵盤、鼠標和軟驅(qū)。

在此我只對PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)作了概括性介紹，如果讀者想進一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel（http://tldp.org/LDP/tlk/dd/pci.html）中對Linux的PCI子系統(tǒng)有比較詳細的介紹。

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Linux將所有外部設備看成是一類特殊文件，稱之為“設備文件”，如果說系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和應用程序之間的接口，那么設備驅(qū)動程序則可以看成是Linux內(nèi)核與外部設備之間的接口。設備驅(qū)動程序向應用程序屏蔽了硬件在實現(xiàn)上的細節(jié)，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設備。

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Linux抽象了對硬件的處理，所有的硬件設備都可以像普通文件一樣來看待：它們可以使用和操作文件相同的、標準的系統(tǒng)調(diào)用接口來完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動程序的主要任務也就是要實現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設備都使用一個特殊的設備文件來表示，例如，系統(tǒng)中的第一個IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個設備文件對應有兩個設備號：一個是主設備號，標識該設備的種類，也標識了該設備所使用的驅(qū)動程序；另一個是次設備號，標識使用同一設備驅(qū)動程序的不同硬件設備。設備文件的主設備號必須與設備驅(qū)動程序在登錄該設備時申請的主設備號一致，否則用戶進程將無法訪問到設備驅(qū)動程序。

在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設備文件：一類是字符設備，另一類則是塊設備。字符設備是以字節(jié)為單位逐個進行I/O操作的設備，在對字符設備發(fā)出讀寫請求時，實際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來說字符設備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機訪問。塊設備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當用戶進程對設備進行讀寫請求時，驅(qū)動程序先查看緩沖區(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的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應的請求函數(shù)來進行實際的I/O操作。塊設備主要是針對磁盤等慢速設備設計的，其目的是避免耗費過多的CPU時間來等待操作的完成。一般說來，PCI卡通常都屬于字符設備。

所有已經(jīng)注冊（即已經(jīng)加載了驅(qū)動程序）的硬件設備的主設備號可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設備文件，同時為其分配相應的主設備號和次設備號。例如，下面的命令：

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[root@gary root]# mknod /dev/lp0 c 6 0