一,、PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

  PCI是外圍設(shè)備互連（PeripheralComponentInterconnect）的簡稱,，作為一種通用的總線接口標(biāo)準(zhǔn),，它在目前的計算機(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,，同時它還刻畫了外圍設(shè)備在連接時的電氣特性和行為規(guī)約,，并且詳細(xì)定義了計算機(jī)系統(tǒng)中的各個不同部件之間應(yīng)該如何正確地進(jìn)行交互。

  無論是在基于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將計算機(jī)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(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(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,，使得它能夠完成終取代ISA總線這一歷史使命：

  在計算機(jī)和外設(shè)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,。

  圖2是一個典型的基于PCI總線的計算機(jī)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(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Linux的PCI子系統(tǒng)有比較詳細(xì)的介紹,。

  二,、Linux驅(qū)動程序框架

  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)動程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件在實現(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)動程序的主要任務(wù)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(shè)備都使用一個特殊的設(shè)備文件來表示，例如,，系統(tǒng)中的個IDE硬盤使用/dev/hda表示,。每個設(shè)備文件對應(yīng)有兩個設(shè)備號：一個是主設(shè)備號，標(biāo)識該設(shè)備的種類,，也標(biāo)識了該設(shè)備所使用的驅(qū)動程序,；另一個是次設(shè)備號，標(biāo)識使用同一設(shè)備驅(qū)動程序的不同硬件設(shè)備,。設(shè)備文件的主設(shè)備號必須與設(shè)備驅(qū)動程序在登錄該設(shè)備時申請的主設(shè)備號一致,，否則用戶進(jìn)程將無法訪問到設(shè)備驅(qū)動程序。

  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)為單位逐個進(jìn)行I/O操作的設(shè)備，在對字符設(shè)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(shè)備中的緩存是可有可無的,，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)程對設(shè)備進(jìn)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(yīng)的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應(yīng)的請求函數(shù)來進(jìn)行實際的I/O操作,。塊設(shè)備主要是針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)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(shè)備,。

  所有已經(jīng)注冊（即已經(jīng)加載了驅(qū)動程序）的硬件設(shè)備的主設(shè)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(shè)備文件，同時為其分配相應(yīng)的主設(shè)備號和次設(shè)備號,。例如,，下面的命令：

  [root@garyroot]#mknod/dev/lp0c60

  將建立一個主設(shè)備號為6，次設(shè)備號為0的字符設(shè)備文件/dev/lp0,。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)δ硞€設(shè)備文件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時,，Linux內(nèi)核會根據(jù)該設(shè)備文件的設(shè)備類型和主設(shè)備號調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序，并從用戶態(tài)進(jìn)入到核心態(tài),，再由驅(qū)動程序判斷該設(shè)備的次設(shè)備號,，終完成對相應(yīng)硬件的操作。

  2.設(shè)備驅(qū)動程序接口

  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,，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)。例如,，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時,，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)動程序模塊

  Linux下的設(shè)備驅(qū)動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態(tài)加載的模塊。如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話,，會增加內(nèi)核的大小,，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(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)動程序時,，要實現(xiàn)兩個必不可少的函數(shù)init_module()和cleanup_module(),，而且至少要包含 和 兩個頭文件。在用gcc編譯內(nèi)核模塊時,，需要加上-DMODULE-D__KERNEL__-DLINUX這幾個參數(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)核的一個組成部分，此時內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)init_module(),。當(dāng)不需要該模塊時,，可以使用rmmod命令進(jìn)行卸載，此進(jìn)內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)cleanup_module(),。任何時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)動程序結(jié)構(gòu)

  了解設(shè)備驅(qū)動程序的基本結(jié)構(gòu)（或者稱為框架），對開發(fā)人員而言是非常重要的,，Linux的設(shè)備驅(qū)動程序大致可以分為如下幾個部分：驅(qū)動程序的注冊與注銷,、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)動程序的注冊與注銷

  向系統(tǒng)增加一個驅(qū)動程序意味著要賦予它一個主設(shè)備號,，這可以通過在驅(qū)動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，則需要通過調(diào)用unregister_chrdev()或unregister_blkdev()從內(nèi)核中注銷設(shè)備,，同時釋放占用的主設(shè)備號,。

  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)動程序中,，open()通常需要完成下列工作：

  檢查設(shè)備相關(guān)錯誤，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。

  識別次設(shè)備號,，如果有必要則更新讀寫操作的當(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,，這個設(shè)備方法有時也被稱為close()，它的作用正好與open()相反,，通常要完成下列工作：

  使用計數(shù)減1,。

  釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。

  如果使用計算為0,，則關(guān)閉設(shè)備。

  設(shè)備的讀寫操作

  字符設(shè)備的讀寫操作相對比較簡單,，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，這兩個函數(shù)將向設(shè)備請求表中增加讀寫請求,，以便Linux內(nèi)核可以對請求順序進(jìn)行優(yōu)化,。由于是對內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對設(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)用程序有時還需要對設(shè)備進(jìn)行控制,，這可以通過設(shè)備驅(qū)動程序中的函數(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)備的實際情況進(jìn)行具體分析,。

  設(shè)備的中斷和輪詢處理

  對于不支持中斷的硬件設(shè)備,，讀寫時需要輪流查詢設(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)動程序?qū)崿F(xiàn)

  1.基本框架

  在實現(xiàn)PCI驅(qū)動程序時,，通常要實現(xiàn)以下幾個部分：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)核這個函數(shù)是不一樣的*/

  demo_basehdwr=pci_resource_start（gdev,，bar）；/*申請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)用廣泛的計算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn),，而且是一種兼容性強(qiáng),、功能全的計算機(jī)總線。而Linux作為一種新的操作系統(tǒng),，其發(fā)展前景是無法估量的,，同時也為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)動程序變得相對容易,。本文介紹如何編譯Linux下的PCI驅(qū)動程序,，針對的內(nèi)核版本是2.4。

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