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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