PCI驱动程序实现

1、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。
- 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( )：

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
  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：

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，从中不难体会到这几个关键模块是如何组织起来的：

/* 指明该驱动程序适用于哪一些PCI设备 */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,}};/* 对特定PCI设备进行描述的数据结构 */struct demo_card {    unsigned int magic;    /* 使用链表保存所有同类的PCI设备 */    struct demo_card *next;    /* ... */}/* 中断处理模块 */static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs){    /* ... */}/* 设备文件操作接口 */static struct file_operations demo_fops = {    owner:      THIS_MODULE,   /* demo_fops所属的设备模块 */    read:       demo_read,    /* 读设备操作*/    write:      demo_write,    /* 写设备操作*/    ioctl:      demo_ioctl,    /* 控制设备操作*/    mmap:       demo_mmap,    /* 内存重映射操作*/    open:       demo_open,    /* 打开设备操作*/    release:    demo_release    /* 释放设备操作*/    /* ... */};/* 设备模块信息 */static struct pci_driver demo_pci_driver = {    name:       demo_MODULE_NAME,    /* 设备模块名称 */    id_table:   demo_pci_tbl,    /* 能够驱动的设备列表 */    probe:      demo_probe,    /* 查找并初始化设备 */    remove:     demo_remove    /* 卸载设备模块 */    /* ... */};static int __init demo_init_module (void){    /* ... */}static void __exit demo_cleanup_module (void){    pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);}/* 加载驱动程序模块入口 */module_init(demo_init_module);/* 卸载驱动程序模块入口 */module_exit(demo_cleanup_module);

3、初始化设备模块
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){    /* 检查系统是否支持PCI总线 */    if (!pci_present())        return -ENODEV;    /* 注册硬件驱动程序 */    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内核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, const struct pci_device_id *pci_id){    struct demo_card *card;    /* 启动PCI设备 */    if (pci_enable_device(pci_dev))        return -EIO;    /* 设备DMA标识 */    if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) {        return -ENODEV;    }    /* 在内核空间中动态申请内存 */    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));    /* 读取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;    /* 设置成总线主DMA模式 */       pci_set_master(pci_dev);    /* 申请I/O资源 */    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。在申请控制权的时候，非阻塞方式遇忙返回，否则进程主动接受调度，进入睡眠状态，等待其它进程释放对设备的控制权。

static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file){    /* 申请中断，注册中断处理程序 */    request_irq(card->irq, &demo_interrupt, SA_SHIRQ,        card_names[pci_id->driver_data], card)) {    /* 检查读写模式 */    if(file->f_mode & FMODE_READ) {        /* ... */    }    if(file->f_mode & FMODE_WRITE) {       /* ... */    }    /* 申请对设备的控制权 */    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 {            /* 等待调度，获得控制权 */            card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE);            up(&card->open_sem);            /* 设备打开计数增1 */            MOD_INC_USE_COUNT;            /* ... */        }    }}

5、数据读写和控制模块
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:            /* 从I/O端口读取4字节的数据 */            val = inl(card->iobae + 0x10);/* 将读取的数据传输到用户空间 */            return 0;    }    /* ... */}

事实上，在demo_fops里还可以实现诸如demo_read( )、demo_mmap( )等操作，Linux内核源码中的driver目录里提供了许多设备驱动程序的源代码，找那里可以找到类似的例子。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（Bus Master 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
PC的中断资源比较有限，只有0~15的中断号，因此大部分外部设备都是以共享的形式申请中断号的。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){    struct demo_card *card = (struct demo_card *)dev_id;    u32 status;    spin_lock(&card->lock);    /* 识别中断 */    status = inl(card->iobase + GLOB_STA);    if(!(status & INT_MASK))    {        spin_unlock(&card->lock);        return;  /* not for us */    }    /* 告诉设备已经收到中断 */    outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA);    spin_unlock(&card->lock);    /* 其它进一步的处理，如更新DMA缓冲区指针等 */}

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){    /* ... */    /* 释放对设备的控制权 */    card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE);    /* 唤醒其它等待获取控制权的进程 */    wake_up(&card->open_wait);    up(&card->open_sem);    /* 释放中断 */    free_irq(card->irq, card);    /* 设备打开计数增1 */    MOD_DEC_USE_COUNT;    /* ... */ }

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);}