Linux下PCI设备驱动开发详解（四）

一般来说，用模块方式编写PCI设备驱动，通常至少要实现以下几个部分：初始化设备模块、设备打开模块、数据读写模块、中断处理模块、设备释放模块、设备卸载模块。

下面我们直接给出一个demo实例：

c 复制代码

...

/* 指明该驱动程序适用于哪一些PCI设备 */
static struct pci_device_id demo = {
    PCI_VENDOR_ID_DEMO,
    PCI_DEVICE_ID_DEMO,
    PCI_ANY_ID,
    0,
    0,
    DEMO
};

/* 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)
{
    /* ... */
};

/* 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)
{
    /* ... */
};

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_nodule);

/* 卸载驱动程序模块入口 */
module_exit(demo_cleanup_module);

上面代码给了一个典型的PCI设备驱动程序的框架，是一种相对固定的模式。需要注意的是，加载和卸载模块相关的函数或数据结构都要在前面加上__init、__exit等标志符，以使同普通函数区分开来。构造出一个这样的框架后，接下来就是如何完成框架的功能单元了。

一、初始化设备模块

在linux系统下，想要完成对一个PCI设备的初始化，需要完成以下的工作：

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给驱动程序使用；

当linux内核启动并完成对所有PCI设备扫描、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，一般都会调用如下代码：

c 复制代码

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;
}

驱动程序首先调用pci_present()检查PCI总线是否被linux内核支持，如果系统支持PCI总线结构，这个函数的返回值为0，如果驱动程序在调用这个函数时得到一个非0的返回值，那么驱动程序就必须得中止自己的任务。调用pci_register_driver()函数来注册PCI设备的驱动程序，此时需要提供一个"demo_pci_driver"结构，在该结构中给出的probe探测例程负责完成对硬件的检测工作。

二、probe探测硬件设备

具体的探测设备流程包括，启动PCI设备、设备DMA标识、内核空间动态申请内存、获取PCI信息、设置成总线DMA模式、申请IO资源（具体的流程可以根据需要修改）。

c 复制代码

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;

    /* 在内核空间中申请内存，存放device的信息 */
    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IO资源 */
    request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data]);

    return 0;

}

三、打开设备模块

在这个模块里面主要实现申请中断、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，非阻塞模式遇忙返回，否则进程主动接受调度，进入睡眠状态，等待其他进程释放对设备的控制权。

c 复制代码

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->opensem);
                    return -EBUSY;
                } else {
                    /*等待调度，获得控制权 */
                    card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRIET);

                    /* 设备打开计数增1 */
                    MOD_INC_USE_COUNT;
                    /* ... */
                }
            }
        }
}

四、数据读写和控制信息模块

PCI设备驱动程序可以通过demo_fops结构中的函数demo_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IO寄存器里读取一个数据，并传送到用户空间里；

c 复制代码

static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, 
            unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    /* ... */
    switch (cmd) {
        case DEMO_RDATA;
        /* 从IO端口读取4字节的数据 */
        val = inl(card->iobase + 0x10);
    
    /* 将读取的数据传输到用户空间 */
    return 0；

    /* ... */
    }
}

实际上，在demo_fops里还可以实现诸如demo_read()、demo_mmap()等操作，linux内核源代码中的driver目录里提供了许多设备驱动程序的源代码，那里有很多类似的例子。在对资源的访问方式上，除了IO指令外，还有对外设IO内存的访问。对这个内存的操作，一方面通过把IO内存重新映射后作为普通内存（mmap）进行操作，另外一方面通过总线主DMA（bus master DMA）的方式让设备把数据通过DMA传送到系统内存中。

五、中断处理模块

pc的中断资源一般比较有限（irq，不过现在很多采用msi/msix），只有中断号0-15，所以大部分都是以共享的形式申请中断号的。当中断发生时，中断处理程序首先对中断进行识别，然后再做进一步处理。

c 复制代码

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 */
}

六、释放设备模块

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，所做的事情正好和打开设备模块相反；

c 复制代码

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);
    
    /* 唤醒其他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;

    /*...*/
}

七、卸载设备模块

卸载设备模块与初始化设备模块时对应的，实现起来相对简单，主要调用函数pci_unregister_driver()从linux内核中注销设备驱动程序；

c 复制代码

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

八、总结

本文从一个demo例子详细介绍了，一个驱动的框架主要包括：初始化设备模块、设备打开模块、数据读写模块、中断处理模块、设备释放模块、设备卸载模块。

九、未完待续

Linux下PCI设备驱动开发详解（五），将结合实际linux内核驱动或实际开发，详细介绍关键函数的编写和计算机体系结构原理。

十、参考资料

blog.csdn.net/fengyv/arti...