時(shí)間：2015-06-28 00:00:00 來(lái)源：IT貓撲網(wǎng) 作者：網(wǎng)管聯(lián)盟 我要評(píng)論(1)
PCI是一種廣泛采用的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，它提供了許多優(yōu)于其它總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（如EISA）的新特性，目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，并且最為通用的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。Linux的內(nèi)核能較好地支持PCI總線(xiàn)，本文以Intel 386體系結(jié)構(gòu)為主，探討了在Linux下開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架。
一、PCI總線(xiàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
PCI是外圍設(shè)備互連（Peripheral Component Interconnect）的簡(jiǎn)稱(chēng)，作為一種通用的總線(xiàn)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(xiàn)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(huà)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(wèn)都是目前使用最廣泛的一種總線(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)。同舊式的ISA總線(xiàn)不同，PCI將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的總線(xiàn)子系統(tǒng)與存儲(chǔ)子系統(tǒng)完全地分開(kāi)，CPU通過(guò)一塊稱(chēng)為PCI橋（PCI-Bridge）的設(shè)備來(lái)完成同總線(xiàn)子系統(tǒng)的交互。
由于使用了更高的時(shí)鐘頻率，因此PCI總線(xiàn)能夠獲得比ISA總線(xiàn)更好的整體性能。PCI總線(xiàn)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)中則最高能達(dá)到266MHz。盡管目前PCI設(shè)備大多采用32位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，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(xiàn)能夠更好地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)性，現(xiàn)在PCI總線(xiàn)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(xiàn)具有三個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，使得它能夠完成最終取代ISA總線(xiàn)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。
系統(tǒng)的各個(gè)部分通過(guò)PCI總線(xiàn)和PCI-PCI橋連接在一起。從圖中不難看出，CPU和RAM需要通過(guò)PCI橋連接到PCI總線(xiàn)0（即主PCI總線(xiàn)），而具有PCI接口的顯卡則可以直接連接到主PCI總線(xiàn)上。PCI-PCI橋是一個(gè)特殊的PCI設(shè)備，它負(fù)責(zé)將PCI總線(xiàn)0和PCI總線(xiàn)1（即從PCI主線(xiàn)）連接在一起，通常PCI總線(xiàn)1稱(chēng)為PCI-PCI橋的下游（downstream），而PCI總線(xiàn)0則稱(chēng)為PCI-PCI橋的上游（upstream）。圖中連接到從PCI總線(xiàn)上的是SCSI卡和以太網(wǎng)卡。為了兼容舊的ISA總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線(xiàn)還可以通過(guò)PCI-ISA橋來(lái)連接ISA總線(xiàn)，從而能夠支持以前的ISA設(shè)備。圖中ISA總線(xiàn)上連接著一個(gè)多功能I/O控制器，用于控制鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和軟驅(qū)。
在此我只對(duì)PCI總線(xiàn)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，David A Rusling在The Linux Kernel（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(lèi)特殊文件，稱(chēng)之為"設(shè)備文件"，如果說(shuō)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(lái)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(lái)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(lái)完成打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)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(lái)表示，例如，系統(tǒng)中的第一個(gè)IDE硬盤(pán)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(lèi)，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(hù)進(jìn)程將無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
在Linux操作系統(tǒng)下有兩類(lèi)主要的設(shè)備文件：一類(lèi)是字符設(shè)備，另一類(lèi)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(xiě)請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來(lái)說(shuō)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(fǎng)問(wèn)。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(hù)進(jìn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)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(mǎn)足用戶(hù)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(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對(duì)磁盤(pán)等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，其目的是避免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待操作的完成。一般說(shuō)來(lái)，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(lèi)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@gary root]# mknod? /dev/lp0? c? 6? 0
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(lèi)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(hù)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)，最終完成對(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(guò)include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來(lái)完成的：
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
};
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(guò)file_operations結(jié)構(gòu)訪(fǎng)問(wèn)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(huà)，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(lái)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(hù)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(xiě)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<linux/krernel.h>和
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(chēng)為框架），對(duì)開(kāi)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(xiāo)、設(shè)備的打開(kāi)與釋放、設(shè)備的讀寫(xiě)操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢(xún)處理。
驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷(xiāo)
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(guò)在驅(qū)動(dòng)程序的初始化過(guò)程中調(diào)用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來(lái)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(guò)調(diào)用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內(nèi)核中注銷(xiāo)設(shè)備，同時(shí)釋放占用的主設(shè)備號(hào)。
設(shè)備的打開(kāi)與釋放
打開(kāi)設(shè)備是通過(guò)調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open( )來(lái)完成的，它是驅(qū)動(dòng)程序用來(lái)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。
如果是第一次打開(kāi)，則初始化硬件設(shè)備。關(guān)鍵詞標(biāo)簽：Linux,PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)
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