Linux下PCI驱动开发

当应用程序对设备文件进行诸如 open、close、read、write 等操作时，Linux 内核将通过 file_operations 结构访问驱动程序提供的函数。 例如， 当应用程序对设备文件执行读操作时， 内核将调用 file_operations 结构中的 read 函数。
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[root@gary root]# mknod /dev/lp0 c 6 0
将建立一个主设备号为 6，次设备号为 0 的字符设备文件/dev/lp0。当应用程序对某个设备 文件进行系统调用时，Linux 内核会根据该设备文件的设备类型和主设备号调用相应的驱动 程序，并从用户态进入到核心态，再由驱动程序判断该设备的次设备号，最终完成对相应硬 件的操作。
2. 设备驱动程序模块
Linux 下的设备驱动程序可以按照两种方式进行编译， 一种是直接静态编译成内核的一部分， 另一种则是编译成可以动态加载的模块。如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改 动内核的源文件，而且不能动态地卸载，不利于调试，所有推荐使用模块方式。 从本质上来讲，模块也是内核的一部分，它不同于普通的应用程序，不能调用位于用户态下 的 C 或者 C++库函数，而只能调用 Linux 内核提供的函数，在/proc/ksyms 中可以查看到内 核提供的所有函数。 在以模块方式编写驱动程序时，要实现两个必不可少的函数 init_module( )和 cleanup_module( )，而且至少要包含<linux/krernel.h>和<linux/module.h>两个头文件。在 用 gcc 编译内核模块时，需要加上-DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX 这几个参数，编 译生成的模块（一般为.o 文件）可以使用命令 insmod 载入 Linux 内核，从而成为内核的一 个组成部分，此时内核会调用模块中的函数 init_module( )。当不需要该模块时，可以使用 rmmod 命令进行卸载，此进内核会调用模块中的函数 cleanup_module( )。任何时候都可以 使用命令来 lsmod 查看目前已经加载的模块以及正在使用该模块的用户数。
2. 设备驱动程序接口
Linux 中的 I/O 子系统向内核中的其他部分提供了一个统一的标准设备接口，这是通过 include/linux/fs.h 中的数据结构 file_operations 来完 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); };
Linux 将所有外部设备看成是一类特殊文件，称之为 “设备文件”，如果说系统调用是 Linux 内核和应用程序之间的接口， 那么设备驱动程序则可以看成是 Linux 内核与外部设备之间的 接口。 设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件在实现上的细节， 使得应用程序可以像操作普通 文件一样来操作外 pdfFactory Pro trial version
紧接着就发生了，一 般来说字符设备中的缓存是可有可无的，而且也不支持随机访问。块设 备则是利用一块系统内存作为缓冲区， 当用户进程对设备进行读写请求时， 驱动程序先查看 缓冲区中的内容， 如果缓冲区中的数据能满足用户的要求就返回相应的数据， 否则就调用相 应的请求函数来进行实际的 I/O 操作。块设备主要是针对磁盘等慢速设备设计的，其目的是 避免耗费过多的 CPU 时间来等待操作的完成。一般说来，PCI 卡通常都属于字符设备。 所有已经注册（即已经加载了驱动程序）的硬件设备的主设备号可以从 /proc/devices 文件 中得到。使用 mknod 命令可以创建指定类型的设备文件，同时为其分配相应的主设备号和 次设备号。例如，下面的命令：
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
3. 设备驱动程序结构
了解设备驱动程序的基本结构（或者称为框架），对开发人员而言是非常重要的，Linux 的 设备驱动程序大致可以分为如下几个部分：驱动程序的注册与注销、设备的打开与释放、设 备的读写操作、设备的控制操作、设备的中断和轮询处理。 • 驱动程序的注册与注销 向系统增加一个驱动程序意味着要赋予它一个主设备号，这可以通过在驱动程序的 初始化过程中调用 register_chrdev( )或者 register_blkdev( )来完成。而在关闭字符 设备或者块设备时，则需要通过调用 unregister_chrdev( )或 unregister_blkdev( )从 内核中注销设备，同时释放占用的主设备号。 • 设备的打开与释放 打开设备是通过调用 file_operations 结构中的函数 open( )来完成的， 它是驱动程序 用来为今后的操作完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序中，open( )通常需要 完成下列工作： 1. 检查设备相关错误，如设备尚未准备好等。 2. 如果是第一次打开，则初始化硬件设备。 3. 识别次设备号，如果有必要则更新读写操作的当前位置指针 f_ops。 4. 分配和填写要放在 file->private_data 里的数据结构。 5. 使用计数增 1。 释放设备是通过调用 file_operations 结构中的函数 release( )来完成的， 这个设备方 法有时也被称为 close( )，它的作用正好与 open( )相反，通常要完成下列工作： 6. 使用计数减 1。 7. 释放在 file->private_data 中分配的内存。 8. 如果使用计算为 0，则关闭设备。
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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
1. 字符设备和块设备
Linux 抽象了对硬件的处理，所有的硬件设备都可以像普通文件一样来看待：它们可以使用 和操作文件相同的、标准的系统调用接口来完成打开、关闭、读写和 I/O 控制操作，而驱动 程序的主要任务也就是要实现这些系统调用函数。Linux 系统中的所有硬件设备都使用一个 特殊的设备文件来表示，例如，系统中的第一个 IDE 硬盘使用/dev/hda 表示。每个设备文 件对应有两个设备号：一个是主设备号，标识该设备的种类，也标识了该设备所使用的驱动 程序；另一个是次设备号，标识使用同一设备驱动程序的不同硬件设备。设备文件的主设备 号必须与设备驱动程序在登录该设备时申请的主设备号一致， 否则用户进程将无法访问到设 备驱动程序。 在 Linux 操作系统下有两类主要的设备文件：一类是字符设备，另一类则是块设备。字符设 备是以字节为单位逐个进行 I/O 操作的设备， 在对字符设备发出读写请求时， 实际的硬件 I/O