Linux操作系統(tǒng)下的PCI驅(qū)動開發(fā)

O 引言

PCI總線是一種成熟的計算機標準總線，而Linux操作系統(tǒng)則是一種源代碼公開的操作系統(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，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、消費電子等領(lǐng)域的主流操作系統(tǒng)。

本文主要對Linux環(huán)境下開發(fā)PCI9054芯片驅(qū)動的具體方法進行描述，并給出了如何將驅(qū)動程序編譯進內(nèi)核，以使驅(qū)動模塊靜態(tài)加載的方法。

1 PCI9054簡介

PCI總線協(xié)議一般需要繁瑣的邏輯驗證和時序分析工作，而且開發(fā)周期較長，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，故可大大減少開發(fā)時間和成本。

PCI9054是由美國PLX公司生產(chǎn)的PCI橋接芯片，該芯片采用先進的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。芯片的本地總線時鐘可與PCI時鐘異步，其內(nèi)部有6種可編程FIFO，可以實現(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設(shè)置的，PCI9054的配置空間有六個基址寄存器：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)動程序使用。

2 Linux下的PCI驅(qū)動程序

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行訪問的設(shè)備，如觸摸屏、磁帶驅(qū)動器、鼠標等。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，以塊為單位進行操作，如硬盤、軟驅(qū)等。字符設(shè)備不經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩沖，而塊設(shè)備則需經(jīng)過系統(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)備主要針對數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送而設(shè)計，它并不對應(yīng)于文件系統(tǒng)的節(jié)點。PCI驅(qū)動通?？梢钥醋鲎址O(shè)備的驅(qū)動來設(shè)計。

Linux的操作過程分為兩個步驟：首先用PCI驅(qū)動將內(nèi)核與設(shè)備掛接起來;緊接著通過應(yīng)用程序來根據(jù)設(shè)備文件所屬類型并通過驅(qū)動提供的接口函數(shù)來操作設(shè)備。這使得PCI驅(qū)動至少應(yīng)該包含兩部分內(nèi)容：一是PCI設(shè)備驅(qū)動，二是具體設(shè)備本身的驅(qū)動。

Linux系統(tǒng)啟動后會自動檢測PCI設(shè)備信息，并分別記錄在pci_dev結(jié)構(gòu)體中形成一個PCI設(shè)備鏈表pci_devices。這個結(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)動就是根據(jù)廠商ID和設(shè)備ID來連接設(shè)備并加載驅(qū)動的。

驅(qū)動加載以后，為了操作設(shè)備文件，Linux會在include/linux/fs.h中提供一個數(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file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序所提供的函數(shù)。

3 PCI9054驅(qū)動的實現(xiàn)

Linux下設(shè)備驅(qū)動程序的編寫應(yīng)遵循一定的框架結(jié)構(gòu)進行，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Linux內(nèi)核啟動時，會完成對所有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)備的拓撲結(jié)構(gòu)，此后，在加載PCI 驅(qū)動程序時，就會通過加載驅(qū)動程序模塊入口跳轉(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，初始化程序首先會使用pci_present函數(shù)來判斷PCI總線是否被內(nèi)核支持，然后使用register_chrdev函數(shù)來注冊設(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)動程序的流程圖。

3.2 設(shè)備的打開及操作

通過上述步驟，系統(tǒng)內(nèi)核就可以發(fā)現(xiàn)并打開設(shè)備了。設(shè)備打開模塊中主要完成檢查讀寫模式以及申請對設(shè)備的控制權(quán)等工作。同時可分配并填private_data數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、申請PCI設(shè)備I/O資源的占用、申請中斷、注冊中斷處理程序。

Linux是以操作文件的方式來操作設(shè)備的，也就是通過系統(tǒng)定義的file_operation結(jié)構(gòu)體向Linux文件系統(tǒng)注冊一些操作設(shè)備的函數(shù)。其file_operation結(jié)構(gòu)體的定義如下：

當應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進行諸如open、close、read、write等操作時，Linux內(nèi)核將通過file_operation結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)。

簡單的讀寫任務(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)動程序中對設(shè)備的 I/O通道進行管理的函數(shù)，可以對設(shè)備的一些特性進行控制。因此，為實現(xiàn)對PCI設(shè)備各種I/O資源的訪問和實現(xiàn)不同的傳輸方式，通常都需要使用ioc- tl函數(shù)，驅(qū)動程序的ioctl控制命令差不多完全是用一個switch語句來實現(xiàn)的，可實現(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兩個半部。驅(qū)動程序在打開設(shè)備時，為系統(tǒng)安裝了中斷處理程序，當硬件設(shè)備觸發(fā)中斷時，中斷處理程序首先調(diào)用頂半部程序以判斷中斷類型，對中斷類型的判斷可通過訪問PCI設(shè)備處理中斷的寄存器來實現(xiàn)。當有中斷信號來臨時，驅(qū)動程序?qū)⒅袛嗵幚砣蝿?wù)排進任務(wù)隊列中進行“登記”并清除中斷標志，這樣做的目的是占用較少的內(nèi)核時間，然后再通過調(diào)度底半部來運行，這樣，內(nèi)核負責(zé)底半部的函數(shù)就會處理任務(wù)隊列中的中斷任務(wù)。可以說，底半部幾乎做了中斷處理程序所有的事情。[!--empirenews.page--]

驅(qū)動程序在設(shè)備驅(qū)動對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中為中斷處理定義了一個任務(wù)隊列 Task_DpcForIsr，并將其rouTIne參數(shù)設(shè)置為負責(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，當系統(tǒng)獲得中斷信號時，驅(qū)動程序就可將中斷處理任務(wù)排進該任務(wù)隊列中，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)備模塊主要負責(zé)釋放對設(shè)備的控制權(quán)，同時釋放所占用的內(nèi)存和中斷等。具體來說，首先是釋放對設(shè)備的控制權(quán)。即對設(shè)備控制權(quán)的釋放，這只需簡單地將控制設(shè)備控制權(quán)的信號量釋放即可。在Linux下可使用up，其調(diào)用形式是up(&sem)，它可遞增信號量的值，并換醒所有正在等待信號量轉(zhuǎn)為可用狀態(tài)的進程。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PCI設(shè)備的I/O端口資源而言，實現(xiàn)I/O端口資源占有權(quán)的釋放是通過release_region函數(shù)來完成的，而對于I/O內(nèi)存資源，則需要使用iounmap函數(shù)同時釋放其內(nèi)存映射。

4 Linux下驅(qū)動模塊的加載

Linux下驅(qū)動程序模塊的加載通常有靜態(tài)加載和動態(tài)加載兩種方式。動態(tài)加載是利用Linux的module特性，在系統(tǒng)啟動后使用 insmode命令把驅(qū)動程序(.o文件)添加上去，然后通過rmmod命令卸載，這種加載方式有利于程序的調(diào)試，可以隨時更改;靜態(tài)加載就是把驅(qū)動程序直接編譯到內(nèi)核里，在系統(tǒng)啟動后直接調(diào)用，顯然這種方式對于調(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，程序開發(fā)者通常先用動態(tài)加載方式來調(diào)試，調(diào)試完畢后，再編譯到內(nèi)核里使用。

靜態(tài)加載時，通常先把驅(qū)動程序原文件放在內(nèi)核驅(qū)動相應(yīng)類型的文件夾下，這里的PCI驅(qū)動屬于字符類型， 可拷貝到…linux-2.4.xdriverschar下。然后再更改…linux-2.4.xdriverscharMakefile 文件，并添加如下語句：

這樣做的目的是根據(jù)編譯選項$( CON-FIG_PLX9054)來決定是否要添加設(shè)備驅(qū)動。

之后，再在…linux-2.4.xdriverscharConfig.in中添加語句tristate’PLX9054 Support’CONFIG_PLX9054，這樣就可以在運行menuconfig時產(chǎn)生與設(shè)備對應(yīng)的編譯選項，圖2所示是其編譯選項界面圖。圖中，在前面的尖括號中點Y表示靜態(tài)加載，點M表示作為模塊動態(tài)加載。

最后，運行make menuconfig，剪切內(nèi)核，并選中需要的模塊所對應(yīng)的編譯選項，編譯內(nèi)核。

5 驅(qū)動程序的測試

由于所編寫的驅(qū)動程序是在PLX官方驅(qū)動的基礎(chǔ)上得來的，因此，在這里，為了方便測試起見，也應(yīng)使用PLX公司的SDK包中的測試程序來查看PCI9054的配置情況，圖3所示為五個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

本文首先介紹了在Linux下開發(fā)PCI驅(qū)動的方法，然后介紹了如何將驅(qū)動靜態(tài)編譯到內(nèi)核，這種方法非常適用于開發(fā)以Linux作為嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動程序?？梢钥闯觯捎贚inux系統(tǒng)完全開源，其驅(qū)動程序較Windows下的驅(qū)動程序簡單易懂，框架感更強。此外，由于其具有豐富的開源資源，故其開發(fā)成本較低。因此，我們有理由相信，Linux在未來的操作系統(tǒng)市場中的地位會變得越來越重要。