一、PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

  PCI是外圍設(shè)備互連（PeripheralComponentInterconnect）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)疑問都是目前使用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，CPU通過一塊稱為PCI橋（PCI-Bridge）的設(shè)備來完成同總線子系統(tǒng)的交互,，如圖1所示,。
 

  圖1PCI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(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PCI-ISA橋來連接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2PCI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，DavidARusling在TheLinuxKernel（http://tldp.org/LDP/tlk/dd/pci.html）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

  Linux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)用接口來完成打開,、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)備文件來表示,，例如，系統(tǒng)中的個(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,，一般來說字符設(shè)備中的緩存是可有可無(wú)的,，而且也不支持隨機(jī)訪問。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)過多的CPU時(shí)間來等待操作的完成,。一般說來,，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@garyroot]#mknod/dev/lp0c60

  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)，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include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的：

  structfile_operations{

  structmodule*owner;

  loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);

  ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);

  ssize_t(*write)(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);

  int(*readdir)(structfile*,void*,filldir_t);

  unsignedint(*poll)(structfile*,structpoll_table_struct*);

  int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong);

  int(*mmap)(structfile*,structvm_area_struct*);

  int(*open)(structinode*,structfile*);

  int(*flush)(structfile*);

  int(*release)(structinode*,structfile*);

  int(*fsync)(structfile*,structdentry*,intdatasync);

  int(*fasync)(int,structfile*,int);

  int(*lock)(structfile*,int,structfile_lock*);

  ssize_t(*readv)(structfile*,conststructiovec*,unsignedlong,loff_t*);

  ssize_t(*writev)(structfile*,conststructiovec*,unsignedlong,loff_t*);

  ssize_t(*sendpage)(structfile*,structpage*,int,size_t,loff_t*,int);

  unsignedlong(*get_unmapped_area)(structfile*,unsignedlong,

  unsignedlong,unsignedlong,unsignedlong);

  };

  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file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(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)，這可以通過在驅(qū)動(dòng)程序的初始化過程中調(diào)用register_chrdev()或者register_blkdev()來完成,。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)備的打開與釋放

  打開設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open()來完成的,，它是驅(qū)動(dòng)程序用來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。

  如果是次打開,，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)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release()來完成的,，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,，這是通過調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blk_dev_struct中的函數(shù)request_fn()來完成的。

  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,，這可以通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)ioctl()來完成。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.基本框架

  在實(shí)現(xiàn)PCI驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，通常要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)部分：初始化設(shè)備模塊,，打開設(shè)備模塊,，中斷處理模塊，讀取寄存器模塊,，以及設(shè)備加載與卸載模塊,。

  /*中斷處理函數(shù)*/

  voiddemo_irqhandler()

  {

  /*中斷處理函數(shù)*/

  }

  /*寄存器讀寫操作*/

  voidReadReg(u32dw_offset)

  {

  ret=readl(basevirt+dwoffset*4);

  }

  voidWriteReg(u32dw_offset,u32val)

  {

  writel(val,(basevirt+dw_offset*4));

  }

  intdemo_ioctl（structinode*inode,structfile*filp,unsignedcmd,unsignedlongreg）

  {

  switch(cmd)

  {

  case:

  break;

  }

  }

  /*設(shè)備操作接口*/

  staticstructfile_operationsdemo_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*/

  open：demo_open,，/*打開設(shè)備操作*/

  release：demo_release,/*關(guān)閉設(shè)備操作*/

  ......

  }

  /*初始化設(shè)備*/

  staticintdemo_init（void）

  {

  gdev=pci_find_device(VENDOR_ID,DEVICE_ID,，gdev)；/*不同版本的內(nèi)核這個(gè)函數(shù)是不一樣的*/

  demo_basehdwr=pci_resource_start（gdev,，bar）,；/*申請(qǐng)bar地址*/

  ......

  demo_basehdwr=ioremap(demo_basehdwr,demo_basehdlen);/*映射bar地址*/

  ........

  register_chrdev（）；

  }

  /*設(shè)備卸載模塊*/

  staticvoiddemo_exit（void）

  {

  /*釋放內(nèi)存,，卸載設(shè)備*/

  }

  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)，而且是一種兼容性強(qiáng),、功能全的計(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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