Linux PCI驱动模型

 PCI是外围设备互连（PeripheralComponentInterconnect）的简称，作为一种通用的总线接口标准，它在目前的计算机系统中得到了非常广泛的应用。PCI提供了一组完整的总线接口规范，其目的是描述如何将计算机系统中的外围设备以一种结构化和可控化的方式连接在一起。

     PCI将计算机系统中的总线子系统与存储子系统完全地分开，CPU通过一块称为PCI桥（PCI-Bridge）的设备来完成同总线子系统的交互，尽管目前PCI设备大多采用32位数据总线，但PCI规范中已经给出了64位的扩展实现。

                                      

（1）关键数据结构

     PCI设备上有三种地址空间：PCI的I/O空间、PCI的存储空间和PCI的配置空间。CPU可以访问PCI设备上的所有地址空间，其中I/O空间和存储空间提供给设备驱动程序使用，而配置空间则由Linux内核中的PCI初始化代码使用。内核在启动时负责对所有PCI设备进行初始化，配置好所有的PCI设备，包括中断号以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI设备，以及这些设备的参数和属性。

A，pci_driver：这个数据结构在文件include/linux/pci.h里，这是Linux内核版本2.4之后为新型的PCI设备驱动程序所添加的，其中最主要的是用于识别设备的id_table结构，以及用于检测设备的函数probe()和卸载设备的函数remove( )。

B，pci_dev：这个数据结构也在文件include/linux/pci.h里，它详细描述了一个PCI设备几乎所有的硬件信息，包括厂商ID、设备ID、各种资源等。

（2） 基本框架

      在用模块方式实现PCI设备驱动程序时，通常至少要实现以下几个部分：初始化设备模块、设备打开模块、数据读写和控制模块、中断处理模块、设备释放模块、设备卸载模块。下面给出一个典型的PCI设备驱动程序的基本框架（只列出主要引用）。

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,}
};

struct demo_card {
    unsigned intmagic;
   
    structdemo_card *next;
}

static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs*regs)
{
}

static struct file_operations demo_fops = {
     owner:     THIS_MODULE,  
     read:      demo_read,   
     write:     demo_write,   
     ioctl:     demo_ioctl,   
     mmap:      demo_mmap,   
     open:      demo_open,   
     release:   demo_release   
};

static struct pci_driver demo_pci_driver = {
     name:      demo_MODULE_NAME,   
     id_table:  demo_pci_tbl,   
     probe:     demo_probe,   
     remove:    demo_remove   
};
static int __init demo_init_module (void)
{
}
static void __exit demo_cleanup_module (void)
{
      pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
}
module_init(demo_init_module);
module_exit(demo_cleanup_module);
      上面这段代码给出了一个典型的PCI设备驱动程序的框架，是一种相对固定的模式。需要注意的是，同加载和卸载模块相关的函数或数据结构都要在前面加上__init、__exit等标志符，以使同普通函数区分开来。接下去的工作就是如何完成框架内的各个功能模块了。

（3）初始化设备
     在Linux系统下，想要完成对一个PCI设备的初始化，需要完成以下工作：检查PCI总线是否被Linux内核支持；检查设备是否插在总线插槽上，如果在的话则保存它所占用的插槽的位置等信息；读出配置头中的信息提供给驱动程序使用。

     当Linux内核启动并完成对所有PCI设备进行扫描、登录和分配资源等初始化操作的同时，会建立起系统中所有PCI设备的拓扑结构，此后当PCI驱动程序需要对设备进行初始化时，一般都会调用如下的代码：

static int __init demo_init_module (void)
{
       if(!pci_present())       
                return -ENODEV;
       if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)){  
                pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
                return -ENODEV;
       }
      return 0;

} 
驱动程序首先调用函数pci_present()检查PCI总线是否已经被Linux内核支持，如果系统支持PCI总线结构，这个函数的返回值为0，如果驱动程序在调用这个函数时得到了一个非0的返回值，那么驱动程序就必须得中止自己的任务了。在2.4以前的内核中，需要手工调用pci_find_device()函数来查找PCI设备，但在2.4以后更好的办法是调用pci_register_driver()函数来注册PCI设备的驱动程序，此时需要提供一个pci_driver结构，在该结构中给出的probe探测例程将负责完成对硬件的检测工作。

static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, conststruct pci_device_id *pci_id)
{
      struct demo_card *card;
       if(pci_enable_device(pci_dev))
            return -EIO;
      if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) {
            return -ENODEV;
      }
      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));
     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;
      pci_set_master(pci_dev);    
      request_region(card->iobase, 64,card_names[pci_id->driver_data]);  
      return 0;
}
（4）打开设备模块

     在这个模块里主要实现申请中断、检查读写模式以及申请对设备的控制权等。

static int demo_open(struct inode *inode, struct file*file)
{
       request_irq(card->irq,&demo_interrupt,SA_SHIRQ,  
       card_names[pci_id->driver_data], card)) {
       if(file->f_mode & FMODE_READ){   
       
       }
       if(file->f_mode & FMODE_WRITE){
       
       }
      

}

（5）数据读写和控制信息模块

     PCI设备驱动程序可以通过demo_fops 结构中的函数demo_ioctl()，向应用程序提供对硬件进行控制的接口。例如，通过它可以从I/O寄存器里读取一个数据，并传送到用户空间里：

static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
      switch(cmd) {
       case DEMO_RDATA:
                 val= inl(card->iobae + 0x10); 
                       return0;        
       }
}
     在demo_fops里还可以实现诸如demo_read( )、demo_mmap()等操作。在对资源的访问方式上，除了有I/O指令以外，还有对外设I/O内存的访问。对这些内存的操作一方面可以通过把I/O内存重新映射后作为普通内存进行操作，另一方面也可以通过总线主DMA（BusMaster DMA）的方式让设备把数据通过DMA传送到系统内存中。

（6）中断处理模块

     当中断发生的时候，中断处理程序首先负责对中断进行识别，然后再做进一步的处理。

static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs*regs)
{
}
（7）释放设备模块

释放设备模块主要负责释放对设备的控制权，释放占用的内存和中断等，所做的事情正好与打开设备模块相反：

static int demo_release(struct inode *inode, struct file*file)
{
    
    
    free_irq(card->irq, card);
}
（8）卸载设备模块

     卸载设备模块与初始化设备模块是相对应的，实现起来相对比较简单，主要是调用函数pci_unregister_driver()从Linux内核中注销设备驱动程序：

static void __exit demo_cleanup_module (void)
{
     pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
}
 

参考原文：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-pci/index.html