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Linux下PCI設備驅動程序開發 --- PCI驅動程序實現(三)

傳輸 char rep roc register case 負責 ava b-

三、PCI驅動程序實現
1. 關鍵數據結構
PCI設備上有三種地址空間:PCII/O空間、PCI的存儲空間和PCI的配置空間。CPU可以訪問PCI設備上的所有地址空間,其中I/O空間和存儲空間提供給設備驅動程序使用,而配置空間則由Linux內核中的PCI初始化代碼使用。內核在啟動時負責對所有PCI設備進行初始化,配置好所有的PCI設備,包括中斷號以及I/O基址,並在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI設備,以及這些設備的參數和屬性。
Linux驅動程序通常使用結構(struct)來表示一種設備,而結構體中的變量則代表某一具體設備,該變量存放了與該設備相關的所有信息。好的驅動程序都應該能驅動多個同種設備,每個設備之間用次設備號進行區分,如果采用結構數據來代表所有能由該驅動程序驅動的設備,那麽就可以簡單地使用數組下標來表示次設備號。
PCI驅動程序中,下面幾個關鍵數據結構起著非常核心的作用:
  • pci_driver
這個數據結構在文件include/linux/pci.h裏,這是Linux內核版本2.4之後為新型的PCI設備驅動程序所添加的,其中最主要的是用於識別設備的id_table結構,以及用於檢測設備的函數probe( )和卸載設備的函數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
這個數據結構也在文件include/linux/pci.h裏,它詳細描述了一個PCI設備幾乎所有的硬件信息,包括廠商ID、設備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
在用模塊方式實現PCI設備驅動程序時,通常至少要實現以下幾個部分:初始化設備模塊、設備打開模塊、數據讀寫和控制模塊、中斷處理模塊、設備釋放模塊、設備卸載模塊。下面給出一個典型的PCI設備驅動程序的基本框架,從中不難體會到這幾個關鍵模塊是如何組織起來的。
/* 指明該驅動程序適用於哪一些PCI設備 */ 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,} }; /* 對特定PCI設備進行描述的數據結構 */ struct demo_card { unsigned int magic; /* 使用鏈表保存所有同類的PCI設備 */ struct demo_card *next; /* ... */ } /* 中斷處理模塊 */ static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { /* ... */ } /* 設備文件操作接口 */ static struct file_operations demo_fops = { owner: THIS_MODULE, /* demo_fops所屬的設備模塊 */ read: demo_read, /* 讀設備操作*/ write: demo_write, /* 寫設備操作*/ ioctl: demo_ioctl, /* 控制設備操作*/ mmap: demo_mmap, /* 內存重映射操作*/ open: demo_open, /* 打開設備操作*/ release: demo_release /* 釋放設備操作*/ /* ... */ }; /* 設備模塊信息 */ static struct pci_driver demo_pci_driver = { name: demo_MODULE_NAME, /* 設備模塊名稱 */ id_table: demo_pci_tbl, /* 能夠驅動的設備列表 */ probe: demo_probe, /* 查找並初始化設備 */ remove: demo_remove /* 卸載設備模塊 */ /* ... */ }; static int __init demo_init_module (void) { /* ... */ } static void __exit demo_cleanup_module (void) { pci_unregister_driver(&demo_pci_driver); } /* 加載驅動程序模塊入口 */ module_init(demo_init_module); /* 卸載驅動程序模塊入口 */ module_exit(demo_cleanup_module);
上面這段代碼給出了一個典型的PCI設備驅動程序的框架,是一種相對固定的模式。需要註意的是,同加載和卸載模塊相關的函數或數據結構都要在前面加上__init__exit等標誌符,以使同普通函數區分開來。構造出這樣一個框架之後,接下去的工作就是如何完成框架內的各個功能模塊了。


3. 初始化設備模塊
Linux系統下,想要完成對一個PCI設備的初始化,需要完成以下工作:
  • 檢查PCI總線是否被Linux內核支持;
  • 檢查設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動程序使用。
Linux內核啟動並完成對所有PCI設備進行掃描、登錄和分配資源等初始化操作的同時,會建立起系統中所有PCI設備的拓撲結構,此後當PCI驅動程序需要對設備進行初始化時,一般都會調用如下的代碼:
static int __init demo_init_module (void) { /* 檢查系統是否支持PCI總線 */ if (!pci_present()) return -ENODEV; /* 註冊硬件驅動程序 */ if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)) { pci_unregister_driver(&demo_pci_driver); return -ENODEV; } /* ... */ return 0; }
驅動程序首先調用函數pci_present( )檢查PCI總線是否已經被Linux內核支持,如果系統支持PCI總線結構,這個函數的返回值為0,如果驅動程序在調用這個函數時得到了一個非0的返回值,那麽驅動程序就必須得中止自己的任務了。在2.4以前的內核中,需要手工調用pci_find_device( )函數來查找PCI設備,但在2.4以後更好的辦法是調用pci_register_driver( )函數來註冊PCI設備的驅動程序,此時需要提供一個pci_driver結構,在該結構中給出的probe探測例程將負責完成對硬件的檢測工作。
static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct pci_device_id *pci_id) { struct demo_card *card; /* 啟動PCI設備 */ if (pci_enable_device(pci_dev)) return -EIO; /* 設備DMA標識 */ if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) { return -ENODEV; } /* 在內核空間中動態申請內存 */ 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; /* 設置成總線主DMA模式 */ pci_set_master(pci_dev); /* 申請I/O資源 */ request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data]); return 0; }
4. 打開設備模塊 在這個模塊裏主要實現申請中斷、檢查讀寫模式以及申請對設備的控制權等。在申請控制權的時候,非阻塞方式遇忙返回,否則進程主動接受調度,進入睡眠狀態,等待其它進程釋放對設備的控制權。
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static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file) { /* 申請中斷,註冊中斷處理程序 */ 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) { /* ... */ } /* 申請對設備的控制權 */ 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 { /* 等待調度,獲得控制權 */ card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE); up(&card->open_sem); /* 設備打開計數增1 */ MOD_INC_USE_COUNT; /* ... */ } } }
5. 數據讀寫和控制信息模塊 PCI設備驅動程序可以通過demo_fops 結構中的函數demo_ioctl( ),向應用程序提供對硬件進行控制的接口。例如,通過它可以從I/O寄存器裏讀取一個數據,並傳送到用戶空間裏:
static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { /* ... */ switch(cmd) { case DEMO_RDATA: /* I/O端口讀取4字節的數據 */ val = inl(card->iobae + 0x10); /* 將讀取的數據傳輸到用戶空間 */ return 0; } /* ... */ }
事實上,在demo_fops裏還可以實現諸如demo_read( )demo_mmap( )等操作,Linux內核源碼中的driver目錄裏提供了許多設備驅動程序的源代碼,找那裏可以找到類似的例子。在對資源的訪問方式上,除了有I/O指令以外,還有對外設I/O內存的訪問。對這些內存的操作一方面可以通過把I/O內存重新映射後作為普通內存進行操作,另一方面也可以通過總線主DMABus Master DMA)的方式讓設備把數據通過DMA傳送到系統內存中。


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,因此大部分外部設備都是以共享的形式申請中斷號的。當中斷發生的時候,中斷處理程序首先負責對中斷進行識別,然後再做進一步的處理。
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); /* 識別中斷 */ status = inl(card->iobase + GLOB_STA); if(!(status & INT_MASK)) { spin_unlock(&card->lock); return; /* not for us */ } /* 告訴設備已經收到中斷 */ outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA); spin_unlock(&card->lock); /* 其它進一步的處理,如更新DMA緩沖區指針等 */ }


7. 釋放設備模塊 釋放設備模塊主要負責釋放對設備的控制權,釋放占用的內存和中斷等,所做的事情正好與打開設備模塊相反:
static int demo_release(struct inode *inode, struct file *file) { /* ... */ /* 釋放對設備的控制權 */ card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE); /* 喚醒其它等待獲取控制權的進程 */ wake_up(&card->open_wait); up(&card->open_sem); /* 釋放中斷 */ free_irq(card->irq, card); /* 設備打開計數增1 */ MOD_DEC_USE_COUNT; /* ... */ }


8. 卸載設備模塊
卸載設備模塊與初始化設備模塊是相對應的,實現起來相對比較簡單,主要是調用函數pci_unregister_driver( )Linux內核中註銷設備驅動程序:
static void __exit demo_cleanup_module (void) { pci_unregister_driver(&demo_pci_driver); }

四、小結

PCI總線不僅是目前應用廣泛的計算機總線標準,而且是一種兼容性最強、功能最全的計算機總線。而Linux作為一種新的操作系統,其發展前景是無法估量的,同時也為PCI總線與各種新型設備互連成為可能。由於Linux源碼開放,因此給連接到PCI總線上的任何設備編寫驅動程序變得相對容易。本文介紹如何編譯Linux下的PCI驅動程序,針對的內核版本是2.4

Linux下PCI設備驅動程序開發 --- PCI驅動程序實現(三)