Linux操作系統(tǒng)下的PCI驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

摘要：以PCI9054為例，介紹了在Linux操作系統(tǒng)下，PCI的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，同時(shí)針對(duì)Linux內(nèi)核版本2．4，介紹了PCI驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)加載方法，最后通過(guò)硬件對(duì)該P(yáng)CI驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了簡(jiǎn)單測(cè)試。
關(guān)鍵詞：Linux；pci9054；靜態(tài)加載

O 引言
    PCI總線是一種成熟的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線，而Linux操作系統(tǒng)則是一種源代碼公開(kāi)的操作系統(tǒng)。Linux構(gòu)架完全沿襲了UNIX的系統(tǒng)架構(gòu)，它不但擁有UNIX的全部功能，而且具有UNIX穩(wěn)定、可靠、安全的優(yōu)點(diǎn)，尤其是Linux加入GNU并遵循公共版權(quán)許可證(GPL)之后，幾乎所有的GNU軟件都可以移植到Linux，從而完善和提高了Linux系統(tǒng)的使用性，并逐步成為通信、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的主流操作系統(tǒng)。
    本文主要對(duì)Linux環(huán)境下開(kāi)發(fā)PCI9054芯片驅(qū)動(dòng)的具體方法進(jìn)行描述，并給出了如何將驅(qū)動(dòng)程序編譯進(jìn)內(nèi)核，以使驅(qū)動(dòng)模塊靜態(tài)加載的方法。

1 PCI9054簡(jiǎn)介
    PCI總線協(xié)議一般需要繁瑣的邏輯驗(yàn)證和時(shí)序分析工作，而且開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，因此，更多的做法是采用通用PCI接口芯片，這樣，只需要控制接口芯片的幾根控制線，就可以完成PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸，故可大大減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。
    PCI9054是由美國(guó)PLX公司生產(chǎn)的PCI橋接芯片，該芯片采用先進(jìn)的PLX流水線結(jié)構(gòu)技術(shù)，符合PCI本地總線規(guī)范2．2版，并配有可選的串行EEPROM接口。芯片的本地總線時(shí)鐘可與PCI時(shí)鐘異步，其內(nèi)部有6種可編程FIFO，可以實(shí)現(xiàn)零等待突發(fā)傳輸及本地總線與PCI總線的異步操作，同時(shí)支持主模式、從模式、DMA傳輸模式，可廣泛用于嵌入式系統(tǒng)中。
    PCI9054的地址資源是由其基址寄存器來(lái)設(shè)置的，PCI9054的配置空間有六個(gè)基址寄存器：BARO～BAR5，其中BARO映射到配置空間的基地址，BARl為映射到I／O空間的基地址，BAR2～BAR5可以定義為映射到內(nèi)存地址空間的基地址。配置空間的內(nèi)容可被Linux核心中的PCI初始化代碼使用，I／O空間和內(nèi)存地址空間可提供給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用。

2 Linux下的PCI驅(qū)動(dòng)程序
    Linux將所有外部設(shè)備看成是一類特殊文件，即“設(shè)備文件”，它可分為兩大類：字符設(shè)備和塊設(shè)備。字符設(shè)備是必須以串行順序依次進(jìn)行訪問(wèn)的設(shè)備，如觸摸屏、磁帶驅(qū)動(dòng)器、鼠標(biāo)等。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，以塊為單位進(jìn)行操作，如硬盤、軟驅(qū)等。字符設(shè)備不經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的快速緩沖，而塊設(shè)備則需經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的快速緩沖。此外，Linux下還存在一類外設(shè)，即“網(wǎng)絡(luò)設(shè)備”，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要針對(duì)數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送而設(shè)計(jì)，它并不對(duì)應(yīng)于文件系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。PCI驅(qū)動(dòng)通常可以看做字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)設(shè)計(jì)。
    Linux的操作過(guò)程分為兩個(gè)步驟：首先用PCI驅(qū)動(dòng)將內(nèi)核與設(shè)備掛接起來(lái)；緊接著通過(guò)應(yīng)用程序來(lái)根據(jù)設(shè)備文件所屬類型并通過(guò)驅(qū)動(dòng)提供的接口函數(shù)來(lái)操作設(shè)備。這使得PCI驅(qū)動(dòng)至少應(yīng)該包含兩部分內(nèi)容：一是PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)，二是具體設(shè)備本身的驅(qū)動(dòng)。
    Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)檢測(cè)PCI設(shè)備信息，并分別記錄在pci_dev結(jié)構(gòu)體中形成一個(gè)PCI設(shè)備鏈表pci_devices。這個(gè)結(jié)構(gòu)體記錄了PCI設(shè)備幾乎所有的硬件信息，包括廠商ID、設(shè)備ID、各種資源等，PCI驅(qū)動(dòng)就是根據(jù)廠商ID和設(shè)備ID來(lái)連接設(shè)備并加載驅(qū)動(dòng)的。
    驅(qū)動(dòng)加載以后，為了操作設(shè)備文件，Linux會(huì)在include／linux／fs．h中提供一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可向Linux文件系統(tǒng)注冊(cè)一組文件操作，以定義設(shè)備提供的諸如open、close、read、write等操作，內(nèi)核則將通過(guò)file_operations結(jié)構(gòu)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序所提供的函數(shù)。

3 PCI9054驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
    Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫應(yīng)遵循一定的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行，大致可分為模塊的加載與卸載、設(shè)備的初始化、設(shè)備的打開(kāi)及操作、中斷處理和設(shè)備的釋放等幾部分。
3．1 模塊的加載與初始化
    當(dāng)Linux內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，會(huì)完成對(duì)所有PCI設(shè)備的掃描、登錄和資源分配等初始化操作，并建立起所有PCI設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此后，在加載PCI驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，就會(huì)通過(guò)加載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口跳轉(zhuǎn)到設(shè)備初始化模塊。Linux2．4內(nèi)核與Linux2．6內(nèi)核的初始化方式是不同的，在Linux-2．4內(nèi)核中，初始化程序首先會(huì)使用pci_present函數(shù)來(lái)判斷PCI總線是否被內(nèi)核支持，然后使用register_chrdev函數(shù)來(lái)注冊(cè)設(shè)備，這樣就可以輪詢PCI總線上的設(shè)備，并利用pci_find_device函數(shù)檢查設(shè)備是否插在總線插槽上。如果在，則保存其所占用的插槽位置信息，并返回pci_dev結(jié)構(gòu)，然后將pci_dev結(jié)構(gòu)加入到設(shè)備鏈表中，直到輪詢完畢。圖1所示是Linux下PCI驅(qū)動(dòng)程序的流程圖。

3．2 設(shè)備的打開(kāi)及操作
    通過(guò)上述步驟，系統(tǒng)內(nèi)核就可以發(fā)現(xiàn)并打開(kāi)設(shè)備了。設(shè)備打開(kāi)模塊中主要完成檢查讀寫模式以及申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán)等工作。同時(shí)可分配并填private_data數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、申請(qǐng)PCI設(shè)備I／O資源的占用、申請(qǐng)中斷、注冊(cè)中斷處理程序。
    Linux是以操作文件的方式來(lái)操作設(shè)備的，也就是通過(guò)系統(tǒng)定義的file_operation結(jié)構(gòu)體向Linux文件系統(tǒng)注冊(cè)一些操作設(shè)備的函數(shù)。其file_operation結(jié)構(gòu)體的定義如下：

    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(shí)，Linux內(nèi)核將通過(guò)file_operation結(jié)構(gòu)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。
簡(jiǎn)單的讀寫任務(wù)直接用read、write函數(shù)就可以完成，而復(fù)雜的控制則需要使用ioctl函數(shù)。ioctl函數(shù)是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中對(duì)設(shè)備的I／O通道進(jìn)行管理的函數(shù)，可以對(duì)設(shè)備的一些特性進(jìn)行控制。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI設(shè)備各種I／O資源的訪問(wèn)和實(shí)現(xiàn)不同的傳輸方式，通常都需要使用ioc-tl函數(shù)，驅(qū)動(dòng)程序的ioctl控制命令差不多完全是用一個(gè)switch語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可實(shí)現(xiàn)初始化信息的初始化控制、讀寫配置空間、讀寫I／O端口地址空間、讀寫I／O內(nèi)存空間、DMA傳輸?shù)榷喾N控制操作。
3．3 中斷處理
    Linux將中斷處理程序分解為頂半部和底半部?jī)蓚€(gè)半部。驅(qū)動(dòng)程序在打開(kāi)設(shè)備時(shí)，為系統(tǒng)安裝了中斷處理程序，當(dāng)硬件設(shè)備觸發(fā)中斷時(shí)，中斷處理程序首先調(diào)用頂半部程序以判斷中斷類型，對(duì)中斷類型的判斷可通過(guò)訪問(wèn)PCI設(shè)備處理中斷的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)有中斷信號(hào)來(lái)臨時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒅袛嗵幚砣蝿?wù)排進(jìn)任務(wù)隊(duì)列中進(jìn)行“登記”并清除中斷標(biāo)志，這樣做的目的是占用較少的內(nèi)核時(shí)間，然后再通過(guò)調(diào)度底半部來(lái)運(yùn)行，這樣，內(nèi)核負(fù)責(zé)底半部的函數(shù)就會(huì)處理任務(wù)隊(duì)列中的中斷任務(wù)?？梢哉f(shuō)，底半部幾乎做了中斷處理程序所有的事情。
    驅(qū)動(dòng)程序在設(shè)備驅(qū)動(dòng)對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中為中斷處理定義了一個(gè)任務(wù)隊(duì)列Task_DpcForIsr，并將其routine參數(shù)設(shè)置為負(fù)責(zé)底半部的函數(shù)，data參數(shù)設(shè)置為傳遞給底半部函數(shù)的參數(shù)，這樣，當(dāng)系統(tǒng)獲得中斷信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序就可將中斷處理任務(wù)排進(jìn)該任務(wù)隊(duì)列中，以提供給底半部應(yīng)用。
3．4 釋放設(shè)備模塊及卸載
    釋放設(shè)備模塊主要負(fù)責(zé)釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)，同時(shí)釋放所占用的內(nèi)存和中斷等。具體來(lái)說(shuō)，首先是釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)。即對(duì)設(shè)備控制權(quán)的釋放，這只需簡(jiǎn)單地將控制設(shè)備控制權(quán)的信號(hào)量釋放即可。在Linux下可使用up，其調(diào)用形式是up(&sem)，它可遞增信號(hào)量的值，并換醒所有正在等待信號(hào)量轉(zhuǎn)為可用狀態(tài)的進(jìn)程。其次是釋放由open分配的、保存在filp->private_data中的所有內(nèi)容，將其值設(shè)為NULL。接著釋放中斷。最后釋放PCI設(shè)備I／O資源的占用權(quán)。對(duì)PCI設(shè)備的I／O端口資源而言，實(shí)現(xiàn)I／O端口資源占有權(quán)的釋放是通過(guò)release_region函數(shù)來(lái)完成的，而對(duì)于I／O內(nèi)存資源，則需要使用iounmap函數(shù)同時(shí)釋放其內(nèi)存映射。

4 Linux下驅(qū)動(dòng)模塊的加載
    Linux下驅(qū)動(dòng)程序模塊的加載通常有靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載兩種方式。動(dòng)態(tài)加載是利用Linux的module特性，在系統(tǒng)啟動(dòng)后使用insmode命令把驅(qū)動(dòng)程序(．o文件)添加上去，然后通過(guò)rmmod命令卸載，這種加載方式有利于程序的調(diào)試，可以隨時(shí)更改；靜態(tài)加載就是把驅(qū)動(dòng)程序直接編譯到內(nèi)核里，在系統(tǒng)啟動(dòng)后直接調(diào)用，顯然這種方式對(duì)于調(diào)試階段的程序比較麻煩，而且效率較低，因而只適用于最終版本的程序。因此，程序開(kāi)發(fā)者通常先用動(dòng)態(tài)加載方式來(lái)調(diào)試，調(diào)試完畢后，再編譯到內(nèi)核里使用。
    靜態(tài)加載時(shí)，通常先把驅(qū)動(dòng)程序原文件放在內(nèi)核驅(qū)動(dòng)相應(yīng)類型的文件夾下，這里的PCI驅(qū)動(dòng)屬于字符類型， 可拷貝到…＼linux-2．4．x＼drivers＼char下。然后再更改…＼linux-2．4．x＼drivers＼char＼Makefile文件，并添加如下語(yǔ)句：

    這樣做的目的是根據(jù)編譯選項(xiàng)$( CON-FIG_PLX9054)來(lái)決定是否要添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
    之后，再在…＼linux-2．4．x＼drivers＼char＼Config．in中添加語(yǔ)句
    tristate’PLX9054 Support’CONFIG_PLX9054，這樣就可以在運(yùn)行menuconfig時(shí)產(chǎn)生與設(shè)備對(duì)應(yīng)的編譯選項(xiàng)，圖2所示是其編譯選項(xiàng)界面圖。圖中，在前面的尖括號(hào)中點(diǎn)Y表示靜態(tài)加載，點(diǎn)M表示作為模塊動(dòng)態(tài)加載。

    最后，運(yùn)行make menuconfig，剪切內(nèi)核，并選中需要的模塊所對(duì)應(yīng)的編譯選項(xiàng)，編譯內(nèi)核。

5 驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試
    由于所編寫的驅(qū)動(dòng)程序是在PLX官方驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上得來(lái)的，因此，在這里，為了方便測(cè)試起見(jiàn)，也應(yīng)使用PLX公司的SDK包中的測(cè)試程序來(lái)
查看PCI9054的配置情況，圖3所示為五個(gè)基址寄存器的映射情況。圖4所示為公共緩沖區(qū)的映射情況示意圖。

6 結(jié)束語(yǔ)
    本文首先介紹了在Linux下開(kāi)發(fā)PCI驅(qū)動(dòng)的方法，然后介紹了如何將驅(qū)動(dòng)靜態(tài)編譯到內(nèi)核，這種方法非常適用于開(kāi)發(fā)以Linux作為嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序?？梢钥闯?，由于Linux系統(tǒng)完全開(kāi)源，其驅(qū)動(dòng)程序較Windows下的驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)單易懂，框架感更強(qiáng)。此外，由于其具有豐富的開(kāi)源資源，故其開(kāi)發(fā)成本較低。因此，我們有理由相信，Linux在未來(lái)的操作系統(tǒng)市場(chǎng)中的地位會(huì)變得越來(lái)越重要。