標(biāo)題：Linux下PCI設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)基本框架(3)

PCI是一種廣泛采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，它提供了許多優(yōu)于其它總線標(biāo)準(zhǔn)（如EISA）的新特性，目前已經(jīng)成為計算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，并且最為通用的總線標(biāo)準(zhǔn)。Linux的內(nèi)核能較好地支持PCI總線，本文以Intel 386體系結(jié)構(gòu)為主，探討了在Linux下開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動程序的基本框架。
　　
　　一、PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
　　
　　PCI是外圍設(shè)備互連（Peripheral Component Interconnect）的簡稱，作為一種通用的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，它在目前的計算機(jī)系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。PCI提供了一組完整的總線接口規(guī)范，其目的是描述如何將計算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備以一種結(jié)構(gòu)化和可控化的方式連接在一起，同時它還刻畫了外圍設(shè)備在連接時的電氣特性和行為規(guī)約，并且詳細(xì)定義了計算機(jī)系統(tǒng)中的各個不同部件之間應(yīng)該如何正確地進(jìn)行交互。
　　
　　無論是在基于Intel芯片的PC機(jī)中，或是在基于Alpha芯片的工作站上，PCI毫無疑問都是目前使用最廣泛的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。同舊式的ISA總線不同，PCI將計算機(jī)系統(tǒng)中的總線子系統(tǒng)與子系統(tǒng)完全地分開，CPU通過一塊稱為PCI橋（PCI-Bridge）的設(shè)備來完成同總線子系統(tǒng)的交互，如圖1所示。
　　
　　　
　　
　　　　　　　圖1 PCI子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
　　
　　由于使用了更高的時鐘頻率，因此PCI總線能夠獲得比ISA總線更好的整體性能。PCI總線的時鐘頻率一般在25MHz到33MHz范圍內(nèi)，有些甚至能夠達(dá)到66MHz或者133MHz，而在64位系統(tǒng)中則最高能達(dá)到266MHz。盡管目前PCI設(shè)備大多采用32位數(shù)據(jù)總線，但PCI規(guī)范中已經(jīng)給出了64位的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，從而使PCI總線能夠更好地實(shí)現(xiàn)平臺無關(guān)性，現(xiàn)在PCI總線已經(jīng)能夠用于IA-32、Alpha、PowerPC、SPARC64和IA-64等體系結(jié)構(gòu)中。
　　
　　PCI總線具有三個非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，使得它能夠完成最終取代ISA總線這一歷史使命：
　　
　　在計算機(jī)和外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)時具有更好的性能；
　　
　　能夠盡量獨(dú)立于具體的平臺；
　　
　　可以很方便地實(shí)現(xiàn)即插即用。
　　
　　圖2是一個典型的基于PCI總線的計算機(jī)系統(tǒng)邏輯示意圖，系統(tǒng)的各個部分通過PCI總線和PCI-PCI橋連接在一起。從圖中不難看出，CPU和RAM需要通過PCI橋連接到PCI總線0（即主PCI總線），而具有PCI接口的顯卡則可以直接連接到主PCI總線上。PCI-PCI橋是一個特殊的PCI設(shè)備，它負(fù)責(zé)將PCI總線0和PCI總線1（即從PCI主線）連接在一起，通常PCI總線1稱為PCI-PCI橋的下游（downstream），而PCI總線0則稱為PCI-PCI橋的上游（upstream）。圖中連接到從PCI總線上的是SCSI卡和以太網(wǎng)卡。為了兼容舊的ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線還可以通過PCI-ISA橋來連接ISA總線，從而能夠支持以前的ISA設(shè)備。圖中ISA總線上連接著一個多功能I/O控制器，用于控制鍵盤、鼠標(biāo)和軟驅(qū)。
　　
　　
　　　　　　　 圖2 PCI系統(tǒng)示意圖
　　
　　在此我只對PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)作了概括性介紹，如果讀者想進(jìn)一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel（http://tldp.org/LDP/tlk/dd/pci.html）中對Linux的PCI子系統(tǒng)有比較詳細(xì)的介紹。
　　
　　二、Linux驅(qū)動程序框架
　　
　　Linux將所有外部設(shè)備看成是一類特殊文件，稱之為“設(shè)備文件”，如果說系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，那么設(shè)備驅(qū)動程序則可以看成是Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件在實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備。
　　
　　1. 字符設(shè)備和塊設(shè)備
　　
　　Linux抽象了對硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以像普通文件一樣來看待：它們可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個特殊的設(shè)備文件來表示，例如，系統(tǒng)中的第一個IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個設(shè)備文件對應(yīng)有兩個設(shè)備號：一個是主設(shè)備號，標(biāo)識該設(shè)備的種類，也標(biāo)識了該設(shè)備所使用的驅(qū)動程序；另一個是次設(shè)備號，標(biāo)識使用同一設(shè)備驅(qū)動程序的不同硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號必須與設(shè)備驅(qū)動程序在登錄該設(shè)備時申請的主設(shè)備號一致，否則用戶進(jìn)程將無法訪問到設(shè)備驅(qū)動程序。

在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件：一類是字符設(shè)備，另一類則是塊設(shè)備。字符設(shè)備是以字節(jié)為單位逐個進(jìn)行I/O操作的設(shè)備，在對字符設(shè)備發(fā)出讀寫請求時，實(shí)際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來說字符設(shè)備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機(jī)訪問。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對設(shè)備進(jìn)行讀寫請求時，驅(qū)動程序先查看緩沖區(qū)中的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求就返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應(yīng)的請求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計的，其目的是避免耗費(fèi)過多的CPU時間來等待操作的完成。一般說來，PCI卡通常都屬于字符設(shè)備。
　　
　　所有已經(jīng)注冊（即已經(jīng)加載了驅(qū)動程序）的硬件設(shè)備的主設(shè)備號可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設(shè)備文件，同時為其分配相應(yīng)的主設(shè)備號和次設(shè)備號。例如，下面的命令：
　　
　　[root@gary root]# mknod　/dev/lp0　c　6　0
　　
　　將建立一個主設(shè)備號為6，次設(shè)備號為0的字符設(shè)備文件/dev/lp0。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)δ硞�設(shè)備文件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時，Linux內(nèi)核會根據(jù)該設(shè)備文件的設(shè)備類型和主設(shè)備號調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序，并從用戶態(tài)進(jìn)入到核心態(tài)，再由驅(qū)動程序判斷該設(shè)備的次設(shè)備號，最終完成對相應(yīng)硬件的操作。
　　
　　2. 設(shè)備驅(qū)動程序接口
　　
　　Linux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口，這是通過include//fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的：
　　
　　
　　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);
　　};
　　
　　當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等操作時，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時，內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的read函數(shù)。
　　
　　2. 設(shè)備驅(qū)動程序模塊
　　
　　Linux下的設(shè)備驅(qū)動程序可以按照兩種方式進(jìn)行編譯，一種是直接靜態(tài)編譯成內(nèi)核的一部分，另一種則是編譯成可以動態(tài)加載的模塊。如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(tài)地卸載，不利于調(diào)試，所有推薦使用模塊方式。