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/pcih里，这是Linux内核版本24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/pcih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 int devfn;

unsigned short vendor;

unsigned short device;

unsigned short subsystem_vendor;

unsigned short subsystem_device;

unsigned int class;

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 int irq;

struct resource resource[DEVICE_COUNT_RESOURCE];

struct resource dma_resource[DEVICE_COUNT_DMA];

struct resource irq_resource[DEVICE_COUNT_IRQ];

char name[80];

char slot_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24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24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24。

Linux不属于任何公司，虽然很多公司都做Linux相关产品和服务，你不需要向任何组织或个人申请许可、备案。Linux没有驱动认证，安心地做好驱动就是了，你需要关心的只有版权相关的许可证。如果开发的驱动程序是用于个人（公司内部也算个人，但只要发布，哪怕只有一个人用了，都不能算个人），那么连Linux下的一系列许可证都不用管。如果对外发布（不论单独发布驱动程序，还是连同硬件一起），并且使用了别人的代码（如果没有用别人的代码，那么版权在开发者，许可证就随自己高兴了），必须按照代码来源中许可证的规定（多数情况下要求免费提供源代码，可能还要求继续在该许可证下发布）。当然，如果你的驱动开源，可以向Linux主线提交，这需要联系Linux的核心开发人员，可以通过Linux新闻组找到。

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a5ap

简介：本书不仅适合那些在Linux系统下从事设备驱动程序开发的专业技术人员阅读，也同样适合有志于从事Linux设备驱动程序开发 name="_GoBack">或对Linux设备驱动程序及Linux内核感兴趣的在校学生等阅读。对于没有任何Linux设备驱动程序开发经验的初学者，建议先阅读那些讨论“如何”在Linux系统下编写设备驱动程序的入门书籍，然后再阅读本书来理解“为什么”要以这样或者那样的方式来编写设备驱动程序。  

copy_to_user()这个函数的用处是从内核空间复制指定块数（字节）的数据到用户空间，该函数有个返回值，只有返回0时表示 *** 作成功没有错误，返回的如果是非零，表示有“返回值”个数据块没有能成功复制。外面的if相信你能理解了。

Linux驱动程序的使用可以按照两种方式编译，一种是静态编译进内核，另一种是编译成模块以供动态加载。由于uClinux不支持模块动态加载，而且嵌入式LINUX不能够象桌面LINUX那样灵活的使用insmod/rmmod加载卸载设备驱动程序，因而这里只介绍将设备驱动程序静态编译进uClinux内核的方法。

下面以UCLINUX为例，介绍在一个以模块方式出现的驱动程序testc基础之上，将其编译进内核的一系列步骤：

（1） 改动testc源带代码

第一步，将原来的：

#include

#include

char kernel_version[]=UTS_RELEASE;

改动为：

#ifdef MODULE

#include

#include

char kernel_version[]=UTS_RELEASE;

#else

#define MOD_INC_USE_COUNT

#define MOD_DEC_USE_COUNT

#endif

第二步，新建函数int init_test(void)

将设备注册写在此处：

result=register_chrdev(254,"test",&test_fops);

（2）将testc复制到/uclinux/linux/drivers/char目录下，并且在/uclinux/linux/drivers/char目录下memc中，int chr_dev_init( )函数中增加如下代码：

#ifdef CONFIG_TESTDRIVE

init_test();

#endif

（3）在/uclinux/linux/drivers/char目录下Makefile中增加如下代码：

ifeq($(CONFIG_TESTDRIVE),y)

L_OBJS+=testo

Endif

（4）在/uclinux/linux/arch/m68knommu目录下configin中字符设备段里增加如下代码：

bool 'support for testdrive' CONFIG_TESTDRIVE y

（5） 运行make menuconfig（在menuconfig的字符设备选项里你可以看见我们刚刚添加的'support for testdrive'选项，并且已经被选中）；make dep；make linux；make linuxtext；make linuxdata；cat linuxtext linuxdata > linuxbin。

（6） 在 /uclinux/romdisk/romdisk/dev/目录下创建设备：

mknod test c 254 0

并且在/uclinux/appsrc/下运行make，生成新的Romdisks19文件。

到这里，在UCLINUX中增加设备驱动程序的工作可以说是完成了，只要将新的linuxbin与Romdisk

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