Linux下PCI設備驅動開發

admin @ 2014-03-25 , reply:0

        PCI匯流排不僅是目前應用廣泛的計算機匯流排標準,而且是一種兼容性最強、功能最全的計算機匯流排。而Linux作為一種新的操作系統,其發展前景是無法估量的,同時也為PCI匯流排與各種新型設備互連成為可能。由於Linux源碼開放,因此給連接到PCI匯流排上的任何設備編寫驅動程序變得相對容易。本文介紹如何編譯Linux下的PCI驅動程序,針對的內核版本是2.4。

1. 關鍵數據結構
        
PCI設備上有三種地址空間:PCI的I/O空間、PCI的存儲空間和PCI的配置空間。CPU可以訪問PCI設備上的所有地址空間,其中I/O空間和存儲空間提供給設備驅動程序使用,而配置空間則由Linux內核中的PCI初始化代碼使用。內核在啟動時負責對所有PCI設備進行初始化,配置好所有的PCI設備,包括中斷號以及I/O基址,並在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI設備,以及這些設備的參數和屬性。

        Linux驅動程序通常使用結構(struct)來表示一種設備,而結構體中的變數則代表某一具體設備,該變數存放了與該設備相關的所有信息。好的驅動程序都應該能驅動多個同種設備,每個設備之間用次設備號進行區分,如果採用結構數據來代表所有能由該驅動程序驅動的設備,那麼就可以簡單地使用數組下標來表示次設備號。

在PCI驅動程序中,下面幾個關鍵數據結構起著非常核心的作用:

pci_driver
這個數據結構在文件include/linux/pci.h里,這是Linux內核版本2.4之後為新型的PCI設備驅動程序所添加的,其中最主要的是用於識別設備的id_table結構,以及用於檢測設備的函數probe( )和卸載設備的函數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
這個數據結構也在文件include/linux/pci.h里,它詳細描述了一個PCI設備幾乎所有的硬體信息,包括廠商ID、設備ID、各種資源等:

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
       在用模塊方式實現PCI設備驅動程序時,通常至少要實現以下幾個部分:初始化設備模塊、設備打開模塊、數據讀寫和控制模塊、中斷處理模塊、設備釋放模塊、設備卸載模塊。下面給出一個典型的PCI設備驅動程序的基本框架,從中不難體會到這幾個關鍵模塊是如何組織起來的。

/* 指明該驅動程序適用於哪一些PCI設備 */
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,}
};

/* 對特定PCI設備進行描述的數據結構 */
struct demo_card {
    unsigned int magic;

    /* 使用鏈表保存所有同類的PCI設備 */
    struct demo_card *next;
  
    /* ... */
}

/* 中斷處理模塊 */
static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
    /* ... */
}

/* 設備文件操作介面 */
static struct file_operations demo_fops = {
    owner:      THIS_MODULE,   /* demo_fops所屬的設備模塊 */
    read:       demo_read,    /* 讀設備操作*/
    write:      demo_write,    /* 寫設備操作*/
    ioctl:      demo_ioctl,    /* 控制設備操作*/
    mmap:       demo_mmap,    /* 內存重映射操作*/
    open:       demo_open,    /* 打開設備操作*/
    release:    demo_release    /* 釋放設備操作*/
    /* ... */
};

/* 設備模塊信息 */
static struct pci_driver demo_pci_driver = {
    name:       demo_MODULE_NAME,    /* 設備模塊名稱 */
    id_table:   demo_pci_tbl,    /* 能夠驅動的設備列表 */
    probe:      demo_probe,    /* 查找並初始化設備 */
    remove:     demo_remove    /* 卸載設備模塊 */
    /* ... */
};

static int __init demo_init_module (void)
{
    /* ... */
}

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

/* 載入驅動程序模塊入口 */
module_init(demo_init_module);

/* 卸載驅動程序模塊入口 */
module_exit(demo_cleanup_module);

     上面這段代碼給出了一個典型的PCI設備驅動程序的框架,是一種相對固定的模式。需要注意的是,同載入和卸載模塊相關的函數或數據結構都要在前面加上__init、__exit等標誌符,以使同普通函數區分開來。構造出這樣一個框架之後,接下去的工作就是如何完成框架內的各個功能模塊了。

3. 初始化設備模塊
在Linux系統下,想要完成對一個PCI設備的初始化,需要完成以下工作:

  • 檢查PCI匯流排是否被Linux內核支持;
  • 檢查設備是否插在匯流排插槽上,如果在的話則保存它所佔用的插槽的位置等信息。
  • 讀出配置頭中的信息提供給驅動程序使用。

當Linux內核啟動並完成對所有PCI設備進行掃描、登錄和分配資源等初始化操作的同時,會建立起系統中所有PCI設備的拓撲結構,此後當PCI驅動程序需要對設備進行初始化時,一般都會調用如下的代碼:

static int __init demo_init_module (void)
{
    /* 檢查系統是否支持PCI匯流排 */
    if (!pci_present())
        return -ENODEV;

    /* 註冊硬體驅動程序 */
    if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)) {
        pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
                return -ENODEV;
    }

    /* ... */
 
    return 0;
}

       驅動程序首先調用函數pci_present( )檢查PCI匯流排是否已經被Linux內核支持,如果系統支持PCI匯流排結構,這個函數的返回值為0,如果驅動程序在調用這個函數時得到了一個非0的返回值,那麼驅動程序就必須得中止自己的任務了。在2.4以前的內核中,需要手工調用pci_find_device( )函數來查找PCI設備,但在2.4以後更好的辦法是調用pci_register_driver( )函數來註冊PCI設備的驅動程序,此時需要提供一個pci_driver結構,在該結構中給出的probe探測常式將負責完成對硬體的檢測工作。

static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct
pci_device_id *pci_id)
{
    struct demo_card *card;

    /* 啟動PCI設備 */
    if (pci_enable_device(pci_dev))
        return -EIO;

    /* 設備DMA標識 */
    if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) {
        return -ENODEV;
    }

    /* 在內核空間中動態申請內存 */
    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));

    /* 讀取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;

    /* 設置成匯流排主DMA模式 */  
    pci_set_master(pci_dev);

    /* 申請I/O資源 */
    request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data]);

    return 0;
}

4. 打開設備模塊
     
在這個模塊里主要實現申請中斷、檢查讀寫模式以及申請對設備的控制權等。在申請控制權的時候,非阻塞方式遇忙返回,否則進程主動接受調度,進入睡眠狀態,等待其它進程釋放對設備的控制權。

static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    /* 申請中斷,註冊中斷處理程序 */
    request_irq(card->irq, &demo_interrupt, SA_SHIRQ,
        card_names[pci_id->driver_data], card)) {

    /* 檢查讀寫模式 */
    if(file->f_mode & FMODE_READ) {
        /* ... */
    }
    if(file->f_mode & FMODE_WRITE) {
       /* ... */
    }
  
    /* 申請對設備的控制權 */
    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 {
            /* 等待調度,獲得控制權 */
            card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE);
            up(&card->open_sem);

            /* 設備打開計數增1 */
            MOD_INC_USE_COUNT;

            /* ... */
        }
    }
}

5. 數據讀寫和控制信息模塊
      
PCI設備驅動程序可以通過demo_fops 結構中的函數demo_ioctl( ),嚮應用程序提供對硬體進行控制的介面。例如,通過它可以從I/O寄存器里讀取一個數據,並傳送到用戶空間里:

static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int
cmd, unsigned long arg)
{
    /* ... */
  
    switch(cmd) {
        case DEMO_RDATA:
            /* 從I/O埠讀取4位元組的數據 */
            val = inl(card->iobae + 0x10);
          
/* 將讀取的數據傳輸到用戶空間 */
            return 0;
    }
  
    /* ... */
}

       事實上,在demo_fops里還可以實現諸如demo_read( )、demo_mmap( )等操作,Linux內核源碼中的driver目錄里提供了許多設備驅動程序的源代碼,找那裡可以找到類似的例子。在對資源的訪問方式上,除了有I/O指令以外,還有對外設I/O內存的訪問。對這些內存的操作一方面可以通過把I/O內存重新映射後作為普通內存進行操作,另一方面也可以通過匯流排主DMA(Bus Master DMA)的方式讓設備把數據通過DMA傳送到系統內存中。

6. 中斷處理模塊
    
PC的中斷資源比較有限,只有0~15的中斷號,因此大部分外部設備都是以共享的形式申請中斷號的。當中斷髮生的時候,中斷處理程序首先負責對中斷進行識別,然後再做進一步的處理。

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);

    /* 識別中斷 */
    status = inl(card->iobase + GLOB_STA);
    if(!(status & INT_MASK))
    {
        spin_unlock(&card->lock);
        return;  /* not for us */
    }

    /* 告訴設備已經收到中斷 */
    outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA);
    spin_unlock(&card->lock);
  
    /* 其它進一步的處理,如更新DMA緩衝區指針等 */
}

7. 釋放設備模塊
     
釋放設備模塊主要負責釋放對設備的控制權,釋放佔用的內存和中斷等,所做的事情正好與打開設備模塊相反:

static int demo_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    /* ... */
  
    /* 釋放對設備的控制權 */
    card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE);
  
    /* 喚醒其它等待獲取控制權的進程 */
    wake_up(&card->open_wait);
    up(&card->open_sem);
  
    /* 釋放中斷 */
    free_irq(card->irq, card);
  
    /* 設備打開計數增1 */
    MOD_DEC_USE_COUNT;
  
    /* ... */
}

8. 卸載設備模塊
  
卸載設備模塊與初始化設備模塊是相對應的,實現起來相對比較簡單,主要是調用函數pci_unregister_driver( )從Linux內核中註銷設備驅動程序:

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




[admin via 研發互助社區 ] Linux下PCI設備驅動開發已經有1495次圍觀

http://cocdig.com/docs/show-post-42447.html