PCI总线驱动
一、PCI总线系统体系结构
PCI是外围设备互连（Peripheral Component Interconnect）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，同时它还刻画了外围设备在连接时的电气特性和行为规约，并且详细定义了计算机系统中的各个不同部件之间应该如何正确地进行交互。
无论是在基于Intel芯片的PC机中，或是在基于Alpha芯片的工作站上，PCI毫无疑问都是目前使用最广泛的一种总线接口标准。同旧式的ISA总线不同，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，如图1所示。
图1 PCI子系统的体系结构
由于使用了更高的时钟频率，因此PCI总线能够获得比ISA总线更好的整体性能。PCI总线的时钟频率一般在25MHz到33MHz范围内，有些甚至能够达到66MHz或者133MHz，而在64位系统中则最高能达到266MHz。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，从而使PCI总线能够更好地实现平台无关性，现在PCI总线已经能够用于IA-32、Alpha、PowerPC、SPARC64和IA-64等体系结构中。
PCI总线具有三个非常显著的优点，使得它能够完成最终取代ISA总线这一历史使命：
- 在计算机和外设间传输数据时具有更好的性能；
- 能够尽量独立于具体的平台；
- 可以很方便地实现即插即用。
图2是一个典型的基于PCI总线的计算机系统逻辑示意图，系统的各个部分通过PCI总线和PCI-PCI桥连接在一起。从图中不难看出，CPU和RAM需要通过PCI桥连接到PCI总线0（即主PCI总线），而具有PCI接口的显卡则可以直接连接到主PCI总线上。PCI-PCI桥是一个特殊的PCI设备，它负责将PCI总线0和PCI总线1（即从PCI主线）连接在一起，通常PCI总线1称为PCI-PCI桥的下游（downstream），而PCI总线0则称为PCI-PCI桥的上游（upstream）。图中连接到从PCI总线上的是SCSI卡和以太网卡。为了兼容旧的ISA总线标准，PCI总线还可以通过PCI-ISA桥来连接ISA总线，从而能够支持以前的ISA设备。图中ISA总线上连接着一个多功能I/O控制器，用于控制键盘、鼠标和软驱。
图2 PCI系统示意图
在此我只对PCI总线系统体系结构作了概括性介绍，如果读者想进一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel（http://tldp.org/LDP/tlk/dd/pci.html）中对Linux的PCI子系统有比较详细的介绍。
在Linux输 cat /proc/iomem 查看PCI设备情况
拿 VGA视频控制器作一个例子,
4000 0000-4000 03ff : 0000:00:14.0
4000 0000-4000 03ff 是它所映射的内存空间地址，占据内存地址空间1024 bytes的位置
0000:00:14.0 为32位 ；划分为域(16位), 总线(8位),设备(5位)和功能(3位).为什么0x00a0对应的是0000:00:14.0呢，寄存器对应0x00a0就代表着总线(8位),设备(5位)和功能(3位).0x00a0=0000 0000 1010 0000，很容易看出高8位是总线号也就是0。剩下的0xa0=10100000，可以看出如果低3位表示功能号，那么剩下的10100就是设备号，补全成8位的值就是00010100即0x14.
PCI寻址判断系统结构图
二. PCI 配置
图6.2 PCI配置头
系统中每个PCI设备，包括PCI-PCI桥接器在内，都有一个配置数据结构，它通常位于PCI配置地址空间中。PCI配置头允许系统来标识与控制设备。配置头在PCI配置空间的位置取决于系统中PCI设备的拓扑结构。例如将一个PCI视频卡插入不同的PCI槽，其配置头位置会变化。但对系统没什么影响，系统将找到每个PCI设备与桥接器并使用它们配置头中的信息来配置其寄存器。
典型的办法是用PCI槽相对主板的位置来决定其PCI配置头在配置空间中的偏移。比如主板中的第一个PCI槽的PCI配置头位于配置空间偏移0处，而第二个则位于偏移256处（所有PCI配置头长度都相等，为256字节），其它槽可以由此类推。系统还将提供一种硬件相关机制以便PCI设置代码能正确的辨认出对应PCI总线上所有存在的设备的PCI配置头。通过PCI配置头中的某些域来判断哪些设备存在及哪些设备不存在（这个域叫厂商标志域: Vendor Identification field）。对空PCI槽中这个域的读操作将得到一个值为0xFFFFFFFF的错误信息。
图6.2给出了256字节PCI配置头的结构，它包含以下域：
- 厂商标识(Vendor Identification)
- 用来唯一标识PCI设备生产厂家的数值。Digital的PCI厂商标识为0x1011而Intel的为0x8086。
- 设备标识(Device Identification)
- 用来唯一标识设备的数值。Digital 21141快速以太设备的设备标识为0x0009。
- 状态(Status)
- 此域提供PCI标准定义中此设备的状态信息。
- 命令(Command)
- 通过对此域的写可以控制此设备，如允许设备访问PCI I/O内存。
- 分类代码(Class Code)
- 此域标识本设备的类型。对于每种类型的视频，SCSI等设备都有标准的分类代码。如SCSI设备分类代码为0x0100。
- 基地址寄存器(Base Address Registers)
- 这些寄存器用来决定和分配此设备可以使用的PCI I/O与PCI内存空间的类型，数量及位置。
- 中断引脚(Interrupt Pin)
- PCI卡上的四个物理引脚可以将中断信号从插卡上带到PCI总线上。这四个引脚标准的标记分别为A、B、C及D。中断引脚域描叙此PCI设备使用的引脚号。通常特定设备都是采用硬连接方式。这也是系统启动时，设备总使用相同中断引脚的原因。中断处理子系统用它来管理来自该设备的中断。
- 中断连线(Interrupt Line)
-
本设备配置头中的中断连线域用来在PCI初始化代码、设备驱动以及Linux中断处理子系统间传递中断处理过程。虽然本域中记录的这个数值对于设备驱动毫无意义。但是它可以将中断处理过程从PCI卡上正确路由到Linux操作系统中相应的设备驱动中断处理代码中。
-
三.PCI驱动程序设计
内核为驱动提供的函数：
pci_read_config_byte/word/dword(struct pci_dev *pdev, int offset, int *value)
pci_write_config_byte/word/dword(struct pci_dev *pdev, int offset, int *value)
配置空间的偏移定义在include/linux/pci_regs.h
1.2 PCI的I/O和内存空间：
从配置区相应寄存器得到I/O区域的基址：
pci_resource_start(struct pci_dev *dev, int bar) Bar值的范围为0-5。
从配置区相应寄存器得到I/O区域的内存区域长度：
pci_resource_length(struct pci_dev *dev, int bar) Bar值的范围为0-5。
从配置区相应寄存器得到I/O区域的内存的相关标志：
pci_resource_flags(struct pci_dev *dev, int bar) Bar值的范围为0-5。
申请I/O端口:
request_mem_region(io_base, length, name)
读写：
inb() inw() inl() outb() outw() outl()
关键数据结构
- pci_driver
|
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);
};
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- pci_dev
|
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);
};
|
|
/* 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)
{
/* ... */
}
static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct pci_device_id *pci_id) { /* probe将负责完成对硬件的检测工作*/ } demo_read（）,demo_write（）,demo_ioctl（）,demo_release（）等函数略
/* 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)
{
if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver))
return -ENODEV;
}
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);
|
- 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。
|
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;
}
|
|
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;
}
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|
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;
/* ... */
}
}
}
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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;
}
/* ... */
}
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|
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 */
}
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|
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;
/* ... */
}
|
|
static void __exit demo_cleanup_module (void)
{
pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
}
|