Linux驱动学习--初识PCI驱动(二)

写在前面的话：

上一篇，我们将PCI驱动的基础知识进行一个简单的梳理。当然，这是不够的，因此，接下来，我们进行深一步的探究。

我们从下面几个方面来讲述：

一，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 example_init_module (void)
{
/* 注册硬件驱动程序 */
if(!pci_register_driver(&example_pci_driver)){
pci_unregister_driver(&example_pci_driver);
return-ENODEV;
}
/* ... */

return 0;
}

从上面的省略号可以看出，这仅仅只是核心的一部分，其他的东西，就要看你具体的应用是在什么地方。

仅仅使用上面的init函数是不够的，因为此时你并不知道你的设备是什么样的，是不是都已经准备好了，因此，还有更重要的一步---probe。探测完成对硬件的检测工作。

我们先将相关代码进行列示：

static int __init example_probe(struct pci_dev *pci_dev,conststruct pci_device_id *pci_id)
{
struct example_pci *my_pci;
/* 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, EXAMPLE_DMA_MASK))
return-ENODEV;
/* 在内核空间中动态申请内存 */
if((my_pci = kmalloc(sizeof(struct example_pci), GFP_KERNEL))== NULL){
printk(KERN_ERR "example_pci: out of memory\n");
return-ENOMEM;
}
memset(my_pci,0,sizeof(*my_pci));
/* 读取PCI配置信息 */
my_pci->iobase = pci_resource_start(pci_dev,1);
my_pci->pci_dev = pci_dev;
my_pci->pci_id = pci_id->device;
my_pci->irq = pci_dev->irq;
my_pci->next= devs;
my_pci->magic = EXAMPLE_MAGIC;
/* 设置成总线主DMA模式 */
pci_set_master(pci_dev);
/* 申请I/O资源 */
request_region(my_pci->iobase,64,my_pci_names[pci_id->driver_data]);
return 0;
}

整个程序的思路很清晰，并不需要去太多的讲解，只是对里面的一些函数需要进行一下讲解.

1.pci_enable_device

激活PCI设备，在驱动程序可以访问PCI设备的任何设备资源之前(I/O区域或者中断)，驱动程序必须调用该函数：

int pci_enable_device(struct pci_dev *dev);                       /*driver/pci/pci.c*/

该函数实际的激活设备。它把设备唤醒，在某些情况下还指派它的中断线和I/O区域。

2.访问PCI地址空间

在驱动程序检测到设备之后，它通常需要读取或写入三个地址空间：内存，端口和配置。对驱动程序来说，对配置空间的访问至关重要，因为这是它找到设备映射到内存和I/O空间的什么位置的唯一途径。

因而，首先来看看配置空间的访问：

Linux内核为我们想的很周到，在内核中就已经提供了访问配置空间的标准接口，我们只要去直接调用就好了。

对于驱动程序而言，可通过8位，16位，32位的数据传输访问配置空间。相关函数定义在<linux/pci.h>中:

int pci_read_config_byte(conststruct pci_dev *dev,intwhere, u8 *val);/*8位，读入一个字节*/

int pci_read_config_word(conststruct pci_dev *dev,intwhere, u16 *val);/*16位，读入两个字节*/

int pci_read_config_dword(conststruct pci_dev *dev,intwhere, u32 *val);/*32位，读入四个字节*/

const struct pci_dev *dev：由dev标识的设备配置空间；

int where：从配置空间起始位置计算的字节偏移量；

u8/u16/u32 *val：从配置空间获得的值通过val指针返回；

函数本身返回的值是错误码。

注意：word和dword函数会将读取到的little-endian值转换成处理器固有的字节序。我们自己无需处理字节序。

上面的是读的情况，写的情况也是类似的<linux/pci.h>:

int pci_write_config_byte(conststruct pci_dev *dev,intwhere, u8 *val);/*8位，写入一个字节*/

int pci_write_config_word(conststruct pci_dev *dev,intwhere, u16 *val);/*16位，写入两个字节*/

int pci_write_config_dword(conststruct pci_dev *dev,intwhere, u32 *val);/*32位，写入四个字节*/

因此，我们可以利用上面的函数读取和修改设备的信息。

讲完配置空间，接下来唠叨一下I/O和内存空间。

一个PCI设备可实现多达6个I/O地址区域，每个区域既可以使内存也可以是I/O地址。在内核中PCI设备的I/O区域已经被集成到通用资源管理器。因此，我们无需访问配置变量来了解设备被映射到内存或者I/O空间的何处。获得区域信息的首选接口是下面的宏定义：

#define pci_resource_start(dev, bar)((dev)->resource[(bar)].start)

该宏返回六个PCI I/O区域之一的首地址(内存地址或者I/O端口号).该区域由整数的bar(base address register，基地址寄存器)指定，bar取值为0到5。

#define pci_resource_end(dev, bar)((dev)->resource[(bar)].end)

该宏返回第bar个I/O区域的首地址。注意这是最后一个可用的地址，而不是该区域之后的第一个地址。

#define pci_resource_flags(dev, bar)((dev)->resource[(bar)].flags)

该宏返回和该资源相关联的标志。

资源标志用来定义单个资源的特性，对与PCI I/O区域相关的PCI资源，该信息从基地址寄存器中获得，但对于和PCI无关的资源，它可能来自其他地方。所有资源标志定义在<linux/ioport.h>。

二，打开设备模块

static int example_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
/* 申请中断，注册中断处理程序 */
request_irq(my_pci->irq, &example_interrupt, SA_SHIRQ, my_pci_names[pci_id->driver_data], my_pci)) ;
/* 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(&my_pci->open_sem);
while(my_pci->open_mode & file->f_mode) {
if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {
/* NONBLOCK模式，返回-EBUSY */
up(&my_pci->open_sem);
return -EBUSY;
} else {
/* 等待调度，获得控制权 */
my_pci->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE);
up(&my_pci->open_sem);
/* 设备打开计数增1 */
MOD_INC_USE_COUNT;
/* ... */
}
}
}

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。

三，数据读写和信息控制模块

static int example_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
/* ... */

switch(cmd) {
case EXAMPLE_RDATA:
/* 从I/O端口读取4字节的数据 */
val = inl(my_pci->iobae + 0x10);

/* 将读取的数据传输到用户空间 */
return 0;
}

/* ... */
}

PCI设备驱动程序可以通过example_fops结构中的函数example_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。

四，中断模块

static void example_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
struct example_pci *my_pci = (struct example_pci *)dev_id;
u32 status;
spin_lock(&my_pci->lock);
/* 中断 */
status = inl(my_pci->iobase + GLOB_STA);
if(!(status & INT_MASK))
{
spin_unlock(&my_pci->lock);
return; /* not for us */
}
/* 告诉设备已经收到中断 */
outl(status & INT_MASK, my_pci->iobase + GLOB_STA);
spin_unlock(&my_pci->lock);

/* 其它进一步的处理 */
}

PCI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。

五，释放设备模块

static int example_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
/* ... */

/* 释放对设备的控制权 */
my_pci->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE);

/* 唤醒其它等待获取控制权的进程 */
wake_up(&my_pci->open_wait);
up(&my_pci->open_sem);

/* 释放中断 */
free_irq(my_pci->irq, my_pci);

/* 设备打开计数增1 */
MOD_DEC_USE_COUNT;

/* ... */

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。

以上就是我对PCI驱动程序的现阶段理解，比较初浅，若有任何不合适的地方，请大家指出。

参考资料：

Alessandro Rubini,，Linux Device Drivers（3rd Edition） USA：O’Reilly，2005

http://os.chinaunix.net/a2008/0307/978/000000978057.shtml