Linux下PCI裝置驅動程式開發（3）

三、PCI驅動程式實現
1. 關鍵資料結構
PCI裝置上有三種地址空間：PCI的I/O空間、PCI的儲存空間和PCI的配置空間。CPU可以訪問PCI裝置上的所有地址空間，其中I/O空間和儲存空間提供給裝置驅動程式使用，而配置空間則由Linux核心中的PCI初始化代碼使用。核心在啟動時負責對所有PCI裝置進行初始化，配置好所有的PCI裝置，包括中斷號以及I/O基址，並在檔案/proc/pci中列出所有找到的PCI裝置，以及這些裝置的參數和屬性。
Linux驅動程式通常使用結構（struct）來表示一種裝置，而結構體中的變數則代表某一具體裝置，該變數存放了與該裝置相關的所有資訊。好的驅動程式都應該能驅動多個同種裝置，每個裝置之間用次裝置號進行區分，如果採用結構資料來代表所有能由該驅動程式驅動的裝置，那麼就可以簡單地使用數組下標來表示次裝置號。
在PCI驅動程式中，下面幾個關鍵資料結構起著非常核心的作用：
• pci_driver
這個資料結構在檔案include/linux/pci.h裡，這是Linux核心版本2.4之後為新型的PCI裝置驅動程式所添加的，其中最主要的是用於識別裝置的id_table結構，以及用於檢測裝置的函數probe( )和卸載裝置的函數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
這個資料結構也在檔案include/linux/pci.h裡，它詳細描述了一個PCI裝置幾乎所有的硬體資訊，包括廠商ID、裝置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. 基本架構
在用模組方式實現PCI裝置驅動程式時，通常至少要實現以下幾個部分：初始化裝置模組、裝置開啟模組、資料讀寫和控制模組、中斷處理模組、裝置釋放模組、裝置卸載模組。下面給出一個典型的PCI裝置驅動程式的基本架構，從中不難體會到這幾個關鍵模組是如何組織起來的。
/* 指明該驅動程式適用於哪一些PCI裝置 */
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裝置進行描述的資料結構 */
struct demo_card {
    unsigned int magic;
    /* 使用鏈表儲存所有同類的PCI裝置 */
    struct demo_card *next;
   
    /* ... */
}
/* 中斷處理模組 */
static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
    /* ... */
}
/* 裝置檔案操作介面 */
static struct file_operations demo_fops = {
    owner:      THIS_MODULE,   /* demo_fops所屬的裝置模組 */
    read:       demo_read,    /* 讀裝置操作*/
    write:      demo_write,    /* 寫裝置操作*/
    ioctl:      demo_ioctl,    /* 控制裝置操作*/
    mmap:       demo_mmap,    /* 記憶體重新對應操作*/
    open:       demo_open,    /* 開啟裝置操作*/
    release:    demo_release    /* 釋放裝置操作*/
    /* ... */
};
/* 裝置模組資訊 */
static struct pci_driver demo_pci_driver = {
    name:       demo_MODULE_NAME,    /* 裝置模組名稱 */
    id_table:   demo_pci_tbl,    /* 能夠驅動的裝置列表 */
    probe:      demo_probe,    /* 尋找並初始化裝置 */
    remove:     demo_remove    /* 卸載裝置模組 */
    /* ... */
};
static int __init demo_init_module (void)
{
    /* ... */
}
static void __exit demo_cleanup_module (void)
{
    pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
}
/* 載入驅動程式模組入口 */
module_init(demo_init_module);
/* 卸載驅動程式模組入口 */
module_exit(demo_cleanup_module);

上面這段代碼給出了一個典型的PCI裝置驅動程式的架構，是一種相對固定的模式。需要注意的是，同載入和卸載模組相關的函數或資料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。構造出這樣一個架構之後，接下去的工作就是如何完成架構內的各個功能模組了。
3. 初始化裝置模組
在Linux系統下，想要完成對一個PCI裝置的初始化，需要完成以下工作：
• 檢查PCI匯流排是否被Linux核心支援；
• 檢查裝置是否插在匯流排插槽上，如果在的話則儲存它所佔用的插槽的位置等資訊。
• 讀出配置頭中的資訊提供給驅動程式使用。
當Linux核心啟動並完成對所有PCI裝置進行掃描、登入和分配資源等初始化操作的同時，會建立起系統中所有PCI裝置的拓撲結構，此後當PCI驅動程式需要對裝置進行初始化時，一般都會調用如下的代碼：
static int __init demo_init_module (void)
{
    /* 檢查系統是否支援PCI匯流排 */
    if (!pci_present())
        return -ENODEV;
    /* 註冊硬體驅動程式 */
    if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)) {
        pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
                return -ENODEV;
    }
    /* ... */
  
    return 0;
}

驅動程式首先調用函數pci_present( )檢查PCI匯流排是否已經被Linux核心支援，如果系統支援PCI匯流排結構，這個函數的傳回值為0，如果驅動程式在調用這個函數時得到了一個非0的傳回值，那麼驅動程式就必須得中止自己的任務了。在2.4以前的核心中，需要手工調用pci_find_device( )函數來尋找PCI裝置，但在2.4以後更好的辦法是調用pci_register_driver( )函數來註冊PCI裝置的驅動程式，此時需要提供一個pci_driver結構，在該結構中給出的probe探測常式將負責完成對硬體的檢測工作。
 
static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct pci_device_id *pci_id)
{
    struct demo_card *card;
    /* 啟動PCI裝置 */
    if (pci_enable_device(pci_dev))
        return -EIO;
    /* 裝置DMA標識 */
    if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) {
        return -ENODEV;
    }
    /* 在核心空間中動態申請記憶體 */
    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配置資訊 */
    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;
    /* 設定成匯流排主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. 開啟裝置模組
在這個模組裡主要實現申請中斷、檢查讀寫入模式以及申請對裝置的控制權等。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裝置的控制權。
static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    /* 申請中斷，註冊中斷處理常式 */
    request_irq(card->irq, &demo_interrupt, SA_SHIRQ,
        card_names[pci_id->driver_data], card)) {
    /* 檢查讀寫入模式 */
    if(file->f_mode & FMODE_READ) {
        /* ... */
    }
    if(file->f_mode & FMODE_WRITE) {
       /* ... */
    }
   
    /* 申請對裝置的控制權 */
    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);
            /* 裝置開啟計數增1 */
            MOD_INC_USE_COUNT;
            /* ... */
        }
    }
}

5. 資料讀寫和控制資訊模組
PCI裝置驅動程式可以通過demo_fops 結構中的函數demo_ioctl( )，嚮應用程式提供對硬體進行控制的介面。例如，通過它可以從I/O寄存器裡讀取一個資料，並傳送到使用者空間裡：
static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,
      unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    /* ... */
   
    switch(cmd) {
        case DEMO_RDATA:
            /* 從I/O連接埠讀取4位元組的資料 */
            val = inl(card->iobae + 0x10);
           
/* 將讀取的資料轉送到使用者空間 */
            return 0;
    }
   
    /* ... */
}

事實上，在demo_fops裡還可以實現諸如demo_read( )、demo_mmap( )等操作，Linux核心源碼中的driver目錄裡提供了許多裝置驅動程式的原始碼，找那裡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記憶體的訪問。對這些記憶體的操作一方面可以通過把I/O記憶體重新對應後作為普通記憶體進行操作，另一方面也可以通過匯流排主DMA（Bus Master DMA）的方式讓裝置把資料通過DMA傳送到系統記憶體中。
6. 中斷處理模組
PC的中斷資源比較有限，只有0~15的中斷號，因此大部分外部裝置都是以共用的形式申請中斷號的。當中斷髮生的時候，中斷處理常式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 */
    }
    /* 告訴裝置已經收到中斷 */
    outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA);
    spin_unlock(&card->lock);
   
    /* 其它進一步的處理，如更新DMA緩衝區指標等 */
}

7. 釋放裝置模組
釋放裝置模組主要負責釋放對裝置的控制權，釋放佔用的記憶體和中斷等，所做的事情正好與開啟裝置模組相反：
static int demo_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    /* ... */
   
    /* 釋放對裝置的控制權 */
    card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE);
   
    /* 喚醒其它等待擷取控制權的進程 */
    wake_up(&card->open_wait);
    up(&card->open_sem);
   
    /* 釋放中斷 */
    free_irq(card->irq, card);
   
    /* 裝置開啟計數增1 */
    MOD_DEC_USE_COUNT;
   
    /* ... */ 
}

8. 卸載裝置模組
卸載裝置模組與初始化裝置模組是相對應的，實現起來相對比較簡單，主要是調用函數pci_unregister_driver( )從Linux核心中登出裝置驅動程式：
static void __exit demo_cleanup_module (void)
{
    pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
}

________________________________________
回頁首
四、小結
PCI匯流排不僅是目前應用廣泛的電腦匯流排標準，而且是一種相容性最強、功能最全的電腦匯流排。而Linux作為一種新的作業系統，其發展前景是無法估量的，同時也為PCI匯流排與各種新型裝置互連成為可能。由於Linux源碼開放，因此給串連到PCI匯流排上的任何裝置編寫驅動程式變得相對容易。本文介紹如何編譯Linux下的PCI驅動程式，針對的核心版本是2.4。

 

閱讀全文

類別：預設分類 查看評論