如何写linux pci设备驱动程序

Linux下PCI设备驱动开发

1. 关键数据结构

PCI设备上有三种地址空间：PCI的I/O空间、PCI的存储空间和PCI的配置空间。CPU可以访问PCI设备上的所有地址空间，其中I/O空间和存储空间提供给设备驱动程序使用，而配置空间则由Linux内核中的PCI初始化代码使用。内核在启动时负责对所有PCI设备进行初始化，配置好所有的PCI设备，包括中断号以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI设备，以及这些设备的参数和属性。

Linux驱动程序通常使用结构（struct）来表示一种设备，而结构体中的变量则代表某一具体设备，该变量存放了与该设备相关的所有信息。好的驱动程序都应该能驱动多个同种设备，每个设备之间用次设备号进行区分，如果采用结构数据来代表所有能由该驱动程序驱动的设备，那么就可以简单地使用数组下标来表示次设备号。

在PCI驱动程序中，下面几个关键数据结构起着非常核心的作用：

pci_driver

这个数据结构在文件include/linux/pci.h里，这是Linux内核版本2.4之后为新型的PCI设备驱动程序所添加的，其中最主要的是用于识别设备的id_table结构，以及用于检测设备的函数probe( )和卸载设备的函数remove( )：

struct pci_driver {

struct list_head node

char *name

const struct pci_device_id *id_table

int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id)

void (*remove) (struct pci_dev *dev)

int (*save_state) (struct pci_dev *dev, u32 state)

int (*suspend)(struct pci_dev *dev, u32 state)

int (*resume) (struct pci_dev *dev)

int (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, u32 state, int enable)

}

pci_dev

这个数据结构也在文件include/linux/pci.h里，它详细描述了一个PCI设备几乎所有的

硬件信息，包括厂商ID、设备ID、各种资源等：

struct pci_dev {

struct list_head global_list

struct list_head bus_list

struct pci_bus *bus

struct pci_bus *subordinate

void*sysdata

struct proc_dir_entry *procent

unsigned intdevfn

unsigned short vendor

unsigned short device

unsigned short subsystem_vendor

unsigned short subsystem_device

unsigned intclass

u8 hdr_type

u8 rom_base_reg

struct pci_driver *driver

void*driver_data

u64 dma_mask

u32 current_state

unsigned short vendor_compatible[DEVICE_COUNT_COMPATIBLE]

unsigned short device_compatible[DEVICE_COUNT_COMPATIBLE]

unsigned intirq

struct resource resource[DEVICE_COUNT_RESOURCE]

struct resource dma_resource[DEVICE_COUNT_DMA]

struct resource irq_resource[DEVICE_COUNT_IRQ]

charname[80]

charslot_name[8]

int active

int ro

unsigned short regs

int (*prepare)(struct pci_dev *dev)

int (*activate)(struct pci_dev *dev)

int (*deactivate)(struct pci_dev *dev)

}

2. 基本框架

在用模块方式实现PCI设备驱动程序时，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、数据读写和控制模块、中断处理模块、设备释放模块、设备卸载模块。下面给出一个典型的PCI设备驱动程序的基本框架，从中不难体会到这几个关键模块是如何组织起来的。

/* 指明该驱动程序适用于哪一些PCI设备 */

static struct pci_device_id demo_pci_tbl [] __initdata = {

{PCI_VENDOR_ID_DEMO, PCI_DEVICE_ID_DEMO,

PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, DEMO},

{0,}

}

/* 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 *** 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 *** 作*/

write: demo_write,/* 写设备 *** 作*/

ioctl: demo_ioctl,/* 控制设备 *** 作*/

mmap: demo_mmap,/* 内存重映射 *** 作*/

open: demo_open,/* 打开设备 *** 作*/

release:demo_release/* 释放设备 *** 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_module)

/* 卸载驱动程序模块入口 */

module_exit(demo_cleanup_module)

上面这段代码给出了一个典型的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，同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。构造出这样一个框架之后，接下去的工作就是如何完成框架内的各个功能模块了。

3. 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提供给驱动程序使用。

当Linux内核启动并完成对所有PCI设备进行扫描、登录和分配资源等初始化 *** 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，一般都会调用如下的代码：

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

}

驱动程序首先调用函数pci_present( )检查PCI总线是否已经被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了一个非0的返回值，那么驱动程序就必须得中止自己的任务了。在2.4以前的内核中，需要手工调用pci_find_device( )函数来查找PCI设备，但在2.4以后更好的办法是调用pci_register_driver( )函数来注册PCI设备的驱动程序，此时需要提供一个pci_driver结构，在该结构中给出的probe探测例程将负责完成对硬件的检测工作。

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

}

/* 在内核空间中动态申请内存 */

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I/O资源 */

request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data])

return 0

}

4. 打开设备模块

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

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->open_sem)

return -EBUSY

} else {

/* 等待调度，获得控制权 */

card->open_mode |= f_mode &(FMODE_READ | FMODE_WRITE)

up(&card->open_sem)

/* 设备打开计数增1 */

MOD_INC_USE_COUNT

/* ... */

}

}

}

5. 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I/O寄存器里读取一个数据，并传送到用户空间里：

static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int

cmd, unsigned long arg)

{

/* ... */

switch(cmd) {

case DEMO_RDATA:

/* 从I/O端口读取4字节的数据 */

val = inl(card->iobae + 0x10)

/* 将读取的数据传输到用户空间 */

return 0

}

/* ... */

}

事实上，在demo_fops里还可以实现诸如demo_read( )、demo_mmap( )等 *** 作，Linux内核源码中的driver目录里提供了许多设备驱动程序的源代码，找那里可以找到类似的例子。在对资源的访问方式上，除了有I/O指令以外，还有对外设I/O内存的访问。对这些内存的 *** 作一方面可以通过把I/O内存重新映射后作为普通内存进行 *** 作，另一方面也可以通过总线主DMA（Bus Master DMA）的方式让设备把数据通过DMA传送到系统内存中。

6. 中断处理模块

PC的中断资源比较有限，只有0~15的中断号，因此大部分外部设备都是以共享的形式申请中断号的。当中断发生的时候，中断处理程序首先负责对中断进行识别，然后再做进一步的处理。

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 */

}

7. 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，所做的事情正好与打开设备模块相反：

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)

/* 唤醒其它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

/* ... */

}

8. 卸载设备模块

卸载设备模块与初始化设备模块是相对应的，实现起来相对比较简单，主要是调用函数pci_unregister_driver( )从Linux内核中注销设备驱动程序：

static void __exit demo_cleanup_module (void)

{

pci_unregister_driver(&demo_pci_driver)

}

小结

PCI总线不仅是目前应用广泛的计算机总线标准，而且是一种兼容性最强、功能最全的计算机总线。而Linux作为一种新的 *** 作系统，其发展前景是无法估量的，同时也为PCI总线与各种新型设备互连成为可能。由于Linux源码开放，因此给连接到PCI总线上的任何设备编写驱动程序变得相对容易。本文介绍如何编译Linux下的PCI驱动程序，针对的内核版本是2.4。

0 引言

如果把PC机作为控制系统的 *** 作平台，PCI总线作为一种先进的高性能32／64位局部总线正迅速取代原来的ISA总线的主导地位，以用于高速外设，并成为微型计算机系统的主流系统，因而也成为工程开发人员用于工业控制的首选。为了缩短开发周期，一般都采用专用的接口器件。本文就是采用PLX公司的PCI9052来把PCI总线上的 *** 作转换为对局部总线的 *** 作，同时通过双口RAM实现和下位机的存储转接。针对一般PCI总线开发时由于软硬件分离使开发的软硬件不能很好结合的现象，本文结合实例介绍了应用程序并给出了如何通过DriverStudio开发的PCI设备驱动程序来访问PCI设备卡硬件资源的具体程序。

1 PCI的配置空间及其配置

PCI总线支持存储器地址空间、I／O地址空间和配置空间等三个物理空间。其中，配置空间是PCI总线所特有的一个空间，PCI总线能实现即插即用的功能，正是通过它特有的配置空间来实现的。PCI配置空间的大小为256字节，分为头标区和设备有关区。直接影响设备特性的配置寄存器在头标区，其他部分则因设备而异。PCI总线的配置空间通常与PCI接口芯片相关。该配置空间包括一系列的PCI配置寄存器。本文采用的PCI9052芯片的配置寄存器分为PCI配置寄存器和局部配置寄存器，二者都可以由PCI总线和串行EEPROM访问。

在PCI配置寄存器中的设备ID、制造商ID、版本号、首区类代码、类别代码、指令寄存器和状态寄存器等寄存器在所有的PCI设备中都必须实现，具体设置可参考文献[1]。通常情况下， *** 作系统可使用这些寄存器的内容来决定该PCI设备的加载其驱动程序。

PCI总线最重要的功能之一是通过基地址寄存器和局部配置寄存器在地址空间重定位PCI设备。系统上电时，通过上层应用软件能判断系统中存在那些设备，并建立协调的地址映射。所以，基地址寄存器和局部配置寄存器是实现驱动程序的关键。

PCI配置寄存器提供有6个基地址寄存器(BASE0～BASE5)这些基地址都是系统中的物理地址，其中BASE0和BASE1是用来访问局部配置寄存器的基地址，BASE0是映射到内存的基地址，BASE1是映射到I／O的基地址，可用于通过内存和I／O来访问局部配置寄存器。这两个基地址可固定用于PCI9052芯片的寄存器 *** 作。

通过BASE2～BASE5四个空间最多可以访问局部端所接的4个芯片，实现4个局部地址空间(局部空间0～3)的PCI总线访问。PCI总线对局部端所接芯片的局部地址映射是通过4个寄存器组(PCI基地址寄存器，局部范围寄存器，局部基地址寄存器，局部总线区域描述符)来实现的。这个组定义了每个空间以及相应局部空间的特性。它们将局部端的芯片通过局部端地址(在局部配置寄存器中设置)翻译成PCI总线地址，也就是将本地的芯片映射到系统的内存或I／O口。而片选信号寄存器则是用来选定这些局部端所接的芯片的。这样，用程序 *** 作这一段内存(或I／O)实际上就是对本地芯片的 *** 作。其映射关系如图1所示。这些寄存器的内容必须在芯片复位时通过串行E2PROM进行加载，而正确配置E2PROM的内容则是使用PCI9052的关键。

本设计选取LAS0(Local Address Space 0)来访问局部端的双口RAM芯片中的2 KB寻址空间，与其有关的寄存器有四个：LAS0范围寄存器、LAS0局部基址寄存器、LAS0局部总线区域描述符和片选0基址寄存器。LAS0范围寄存器规定了地址空间的大小。由于需要2 KB的内存空间，而计算机预留了32 KB空间(即8000H)，所以其寄存器值为0xFFFF8000H，而类型则是不可预取的；LAS0局部基地址寄存器定义了设备卡资源上所占用的基地址，它的最终目的是将这个基地址重新映射到PCI地址空间。由于基地址必须是32KB的整数倍，因此，为方便起见，可以将基地址定为00000000H，又由于位0为空间使能位，所以，寄存器的值为00000001H；LAS0局部总线区域描述符用来定义地址空间0的具体工作特性。

该总线采用16位总线宽度，工作方式定义为不使能突发和不预取，因此，该寄存器的数值初步确定为4043A1C0H，最终的值则需要不断测试才能确定；片选0基址寄存器使用PCI9052的CS0#作为双口RAM的片选信号，CS0#片选信号的起始地址和地址范围由片选0基址寄存器设置，局部总线的容量是2 KB，第11位为1，基地址是该范围的16倍，一般将倍数放置在范围位之后，所以寄存器值设置为0xO008401。当从局部空间0基址开始的2 KB空间范围落在CS0基地址寄存器所设置的范围内，CS0端有效，这种方式可减少地址译码得到的片选逻辑。

用PLX9052可将PCI总线上的 *** 作转换为对局部总线的 *** 作，即通过LAD0～LAD7、RD、WR、CS等对局部端芯片访问。如果系统分配给本卡的存储空间为FFFF0000H～FFFF7FFFFH。那么，当系统通过PCI总线访问这个区域时，PLX9052就会应答，并将其转换为局部地址0x0000H～0x07FFH，另外，PLX9052自身也有一些内部寄存器，它们被自动映射到另一片内存区域，可通过PCI总线直接访问。

PCI9052提供了两种类型的中断源(硬件中断和软件中断)。中断可通过PCI9052中断控制／状态寄存器来(INTCSR)允许和禁止。PCI9052通过2个局部中断引脚来实现硬件中断，它们支持边缘和电平触发中断，可以通过对INTCSR寄存器的编程来实现局部中断，然后产生PCI中断(INTA)，并生成PCI中断INTA#方式。PCI9052可以软件方式产生中断，设计时只需要将INTCSR寄存器的软件中断位设置为1即可。

2 驱动程序的开发

在开发PCI板卡功能驱动程序之前，首先要明白所需的PCI硬件资源，并针对设备卡的硬件资源来处理PCI设备的内存、端口的读写，以及中断处理，从而实现PCI设备功能。

2.1 驱动程序在 *** 作系统体系结构中的位置

*** 作系统结构可分为五层模型：

(1)用户应用程序；

(2)IO管理层；

(3)驱动程序；

(4)HAL(硬件抽象层)；

(5)硬件。

图2给出了Windows2000 *** 作系统驱动程序开发者所关心的特征，一般情况下，软件要么在用户模式中执行，要么在内核模式下执行。从驱动开发的角度上看，WDM模型为存在于Win-dows2000系统中的驱动程序提供了一个参考框架。作为Windows2000系统结构开发人员，由于 *** 作系统为应用程序，而在驱动程序和硬件之间提供有系统服务接口和平台相关 *** 作，因此，设计时只需要关注应用程序和设备驱动程序的开发。

2.2 设备资源

PCI设备的硬件资源分配与管理是驱动程序很重要的部分，设备的硬件资源包括内存空间、I／O空间和中断。由于PCI总线为PnP总线，PCI设备的硬件资源是由PCI配置机构动态分配给PCI配置寄存器的，因此，驱动程序首先需要取得这些资源才能 *** 作硬件。当PnP管理器检测到PCI设备时，系统就会发送IRP_MN_START_DEVICE的IRP给驱动程序，驱动程序调用OnStartDevice以启动例程处理，并在启动例程里获取该IRP栈，同时把它包含的系统分配给该设备的资源信息。

用DriverStudio开发驱动程序时，应在Wizard中设置好PCI设备的资源。对于实际的PCI9052设备卡，其基地址寄存器0和1分别固定用于PCI9052局部寄存器的内存映射地址和I／O映射地址，基地址寄存器2则用于设备卡的内存映射地址，并使用局部中断引脚来产生PCI中断，以分别生成对应的KIoRange类、KMemoryRange类和KInterrupt类。这些配置信息由配置管理器发送到OnStartDevice中重载该成员函数，而开发者则不必再处理。在一般情况下，驱动程序无需再访问PCI设备的配置空间，如果需要访问，则可通过类KPciConfiguration，该类包含了通过向PCI总线发送渎写配置空间的IRP *** 作。也可定义类KRe-sourceAssignment来获取PCI的端口地址和中断号以及内存地址和大小，并把得到的资源放在用户自己定义的变量中。

2.3 WDM驱动程序对硬件资源的访问

获取设备的硬件资源以后，就可以对硬件资源进行访问了。对硬件的访问一般包括I／O端口访问和内存访问，它们分别对应PCI配置空间的I／O空间和内存空间。从图2可以看出，当应用程序需要访问设备时，它就会调用Win32API函数(如ReadFile)。Win32子系统模块通过调用平台相关的系统服务接口实现该API，而平台相关的系统服务则调用内核模式来支持例程。即在调用ReadFile函数时，首先到达系统的人口点，然后调用系统服务接口，最后由系统调用内核模式的服务例程。执行时首先检查传递给它们的参数，然后创建一个“I／O请求包(IRP)”的数据结构，并把这个数据结构送到某个驱动程序的入口点执行IRP设备驱动程序，最后再访问硬件。对于PIO方式的设备，一个IRP_MJ_READ *** 作将直接读取设备的端口或设备的内存寄存器。一般会使用硬件抽象层(HAL)来访问硬件。IRP贯穿于驱动程序之间，它在应用程序、驱动程序和设备之间起着桥梁作用，可称之为内核态的“消息”。驱动程序完成一个I／O *** 作后，可通过调用一个特殊内核模式服务例程来完成该IRP，完成 *** 作时再处理IRP的最后工作，以它使等待的应用程序恢复运行。

用DriverStudio开发驱动程序时，可根据配置声明KIoRange类、KMemoryRange类和KInterrupt类来实现对内存空间、I／O空间、中断的 *** 作。在本例中，基地址寄存器0和1固定用于PCI9052芯片的 *** 作寄存器内存映射地址和I／O映射地址，基地址寄存器2则用于双口RAM的内存映射。通过一个外部引脚即可产生中断。标识两个KMem-oryRange类实例、一个KIoRange类实例和一个KInterrupt类实例的具体实现细节如下：

(1) I／O端口的访问

I／O端口的访问流程如图3所示，应用程序通过API函数DeviceIoControl的调用，并调用驱动程序的分发例程DeviceControl，同时通过KIoRange类来实现对I／O映射空间的访问。需要注意的是，当DeviceloControl异步调用的时候，必须在驱动程序中添加取消例程，并在DeviceControl例程中阻止一个应用程序对其的多次调用。KIoRange类的成员函数outb、inb、outw、inw、ind、outd可分别用于从端口读或写一个字节、字和双字数据。在WDM中，对于I／O端口，系统可将其看成寄存器，一般用于数字传输量比较小的地方。在对PCI设备的访问中，I／O端口的访问通常比较频繁。

(2) 内存的访问

在基于DriverStudio开发的驱动程序中，向存储器空间读写大量数据一般选用Write／Read函数，但对于一个实际存在的物理设备的访问，在某一时刻只能进行一个 *** 作，因而在访问内存对象的时候，一般都要求一个IRP排队的队列，可通过设备类的成员函数QueueIrp将IRP插入队列。DriverWorks提供有KDeviceQueue类，其成员函数StartIo用于处理设备对象的IRP队列。具体的 *** 作是通过KMemoryRange类来实现对设备内存映射空间的访问。其访问流程见图4所示。需要注意的是，当IRP队列为空时，调用QueueIrp时，系统将同步调用StartIo函数。

WinDriver产品简介

Jungo WinDriverJungo WinDriver是一套制作USB/PCI驱动程序的好工具，可在用户接口上直接开发出高性能、高质量的用户设备驱动程序。WinDriver这套工具程序利用已设计好的软件精灵，判断计算机上的硬件，用户经过点选就能自动产生驱动的程序代码，减少硬件厂商开发时间及成本。

在WinDriver在WinDriver产品线可支持各种终端设备，不论您用的是任何芯片，用户不需要事先了解任何核心或OS知识，不需要牵涉到很底层的东西即可在短时间迅速帮您开发出USB驱动程序，让您专心研发在驱动程序上的附加功能，而不浪费时间在学习系统作业程序的内部环境。

WinDriver萡煶动开发工具解决方案涵盖了USB,PCI,PCI Express,CardBus,CompactPCI,ISA,PMC,PCI - X,PCI - 104 与PCMCIA。 WinDriver是帮您设计开发出客制化的终端设备驱动程序，假如您需要的是标准的PC USB驱动程序，请参观Jungo DriverCore 产品。

---