Linux操作系统下的PCI驱动开发

摘要：以PCI9054为例，介绍了在Linux操作系统下，PCI的驱动过程，同时针对Linux内核版本2．4，介绍了PCI驱动的静态加载方法，最后通过硬件对该PCI驱动程序进行了简单测试。
关键词：Linux；pci9054；静态加载

O 引言
    PCI总线是一种成熟的计算机标准总线，而Linux操作系统则是一种源代码公开的操作系统。Linux构架完全沿袭了UNIX的系统架构，它不但拥有UNIX的全部功能，而且具有UNIX稳定、可靠、安全的优点，尤其是Linux加入GNU并遵循公共版权许可证(GPL)之后，几乎所有的GNU软件都可以移植到Linux，从而完善和提高了Linux系统的使用性，并逐步成为通信、工业控制、消费电子等领域的主流操作系统。
    本文主要对Linux环境下开发PCI9054芯片驱动的具体方法进行描述，并给出了如何将驱动程序编译进内核，以使驱动模块静态加载的方法。

1 PCI9054简介
    PCI总线协议一般需要繁琐的逻辑验证和时序分析工作，而且开发周期较长，因此，更多的做法是采用通用PCI接口芯片，这样，只需要控制接口芯片的几根控制线，就可以完成PCI总线的数据传输，故可大大减少开发时间和成本。
    PCI9054是由美国PLX公司生产的PCI桥接芯片，该芯片采用先进的PLX流水线结构技术，符合PCI本地总线规范2．2版，并配有可选的串行EEPROM接口。芯片的本地总线时钟可与PCI时钟异步，其内部有6种可编程FIFO，可以实现零等待突发传输及本地总线与PCI总线的异步操作，同时支持主模式、从模式、DMA传输模式，可广泛用于嵌入式系统中。
    PCI9054的地址资源是由其基址寄存器来设置的，PCI9054的配置空间有六个基址寄存器：BARO～BAR5，其中BARO映射到配置空间的基地址，BARl为映射到I／O空间的基地址，BAR2～BAR5可以定义为映射到内存地址空间的基地址。配置空间的内容可被Linux核心中的PCI初始化代码使用，I／O空间和内存地址空间可提供给设备驱动程序使用。

2 Linux下的PCI驱动程序
    Linux将所有外部设备看成是一类特殊文件，即“设备文件”，它可分为两大类：字符设备和块设备。字符设备是必须以串行顺序依次进行访问的设备，如触摸屏、磁带驱动器、鼠标等。块设备则是利用一块系统内存作为缓冲区，以块为单位进行操作，如硬盘、软驱等。字符设备不经过系统的快速缓冲，而块设备则需经过系统的快速缓冲。此外，Linux下还存在一类外设，即“网络设备”，网络设备主要针对数据包的接收和发送而设计，它并不对应于文件系统的节点。PCI驱动通常可以看做字符设备的驱动来设计。
    Linux的操作过程分为两个步骤：首先用PCI驱动将内核与设备挂接起来；紧接着通过应用程序来根据设备文件所属类型并通过驱动提供的接口函数来操作设备。这使得PCI驱动至少应该包含两部分内容：一是PCI设备驱动，二是具体设备本身的驱动。
    Linux系统启动后会自动检测PCI设备信息，并分别记录在pci_dev结构体中形成一个PCI设备链表pci_devices。这个结构体记录了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，PCI驱动就是根据厂商ID和设备ID来连接设备并加载驱动的。
    驱动加载以后，为了操作设备文件，Linux会在include／linux／fs．h中提供一个数据结构file_operations，该数据结构可向Linux文件系统注册一组文件操作，以定义设备提供的诸如open、close、read、write等操作，内核则将通过file_operations结构访问驱动程序所提供的函数。

3 PCI9054驱动的实现
    Linux下设备驱动程序的编写应遵循一定的框架结构进行，大致可分为模块的加载与卸载、设备的初始化、设备的打开及操作、中断处理和设备的释放等几部分。
3．1 模块的加载与初始化
    当Linux内核启动时，会完成对所有PCI设备的扫描、登录和资源分配等初始化操作，并建立起所有PCI设备的拓扑结构，此后，在加载PCI驱动程序时，就会通过加载驱动程序模块入口跳转到设备初始化模块。Linux2．4内核与Linux2．6内核的初始化方式是不同的，在Linux-2．4内核中，初始化程序首先会使用pci_present函数来判断PCI总线是否被内核支持，然后使用register_chrdev函数来注册设备，这样就可以轮询PCI总线上的设备，并利用pci_find_device函数检查设备是否插在总线插槽上。如果在，则保存其所占用的插槽位置信息，并返回pci_dev结构，然后将pci_dev结构加入到设备链表中，直到轮询完毕。图1所示是Linux下PCI驱动程序的流程图。

3．2 设备的打开及操作
    通过上述步骤，系统内核就可以发现并打开设备了。设备打开模块中主要完成检查读写模式以及申请对设备的控制权等工作。同时可分配并填private_data数据结构、申请PCI设备I／O资源的占用、申请中断、注册中断处理程序。
    Linux是以操作文件的方式来操作设备的，也就是通过系统定义的file_operation结构体向Linux文件系统注册一些操作设备的函数。其file_operation结构体的定义如下：

    当应用程序对设备文件进行诸如open、close、read、write等操作时，Linux内核将通过file_operation结构访问驱动程序提供的函数。
简单的读写任务直接用read、write函数就可以完成，而复杂的控制则需要使用ioctl函数。ioctl函数是设备驱动程序中对设备的I／O通道进行管理的函数，可以对设备的一些特性进行控制。因此，为实现对PCI设备各种I／O资源的访问和实现不同的传输方式，通常都需要使用ioc-tl函数，驱动程序的ioctl控制命令差不多完全是用一个switch语句来实现的，可实现初始化信息的初始化控制、读写配置空间、读写I／O端口地址空间、读写I／O内存空间、DMA传输等多种控制操作。
3．3 中断处理
    Linux将中断处理程序分解为顶半部和底半部两个半部。驱动程序在打开设备时，为系统安装了中断处理程序，当硬件设备触发中断时，中断处理程序首先调用顶半部程序以判断中断类型，对中断类型的判断可通过访问PCI设备处理中断的寄存器来实现。当有中断信号来临时，驱动程序将中断处理任务排进任务队列中进行“登记”并清除中断标志，这样做的目的是占用较少的内核时间，然后再通过调度底半部来运行，这样，内核负责底半部的函数就会处理任务队列中的中断任务。可以说，底半部几乎做了中断处理程序所有的事情。
    驱动程序在设备驱动对象数据结构中为中断处理定义了一个任务队列Task_DpcForIsr，并将其routine参数设置为负责底半部的函数，data参数设置为传递给底半部函数的参数，这样，当系统获得中断信号时，驱动程序就可将中断处理任务排进该任务队列中，以提供给底半部应用。
3．4 释放设备模块及卸载
    释放设备模块主要负责释放对设备的控制权，同时释放所占用的内存和中断等。具体来说，首先是释放对设备的控制权。即对设备控制权的释放，这只需简单地将控制设备控制权的信号量释放即可。在Linux下可使用up，其调用形式是up(&sem)，它可递增信号量的值，并换醒所有正在等待信号量转为可用状态的进程。其次是释放由open分配的、保存在filp->private_data中的所有内容，将其值设为NULL。接着释放中断。最后释放PCI设备I／O资源的占用权。对PCI设备的I／O端口资源而言，实现I／O端口资源占有权的释放是通过release_region函数来完成的，而对于I／O内存资源，则需要使用iounmap函数同时释放其内存映射。

4 Linux下驱动模块的加载
    Linux下驱动程序模块的加载通常有静态加载和动态加载两种方式。动态加载是利用Linux的module特性，在系统启动后使用insmode命令把驱动程序(．o文件)添加上去，然后通过rmmod命令卸载，这种加载方式有利于程序的调试，可以随时更改；静态加载就是把驱动程序直接编译到内核里，在系统启动后直接调用，显然这种方式对于调试阶段的程序比较麻烦，而且效率较低，因而只适用于最终版本的程序。因此，程序开发者通常先用动态加载方式来调试，调试完毕后，再编译到内核里使用。
    静态加载时，通常先把驱动程序原文件放在内核驱动相应类型的文件夹下，这里的PCI驱动属于字符类型， 可拷贝到…＼linux-2．4．x＼drivers＼char下。然后再更改…＼linux-2．4．x＼drivers＼char＼Makefile文件，并添加如下语句：

    这样做的目的是根据编译选项$( CON-FIG_PLX9054)来决定是否要添加设备驱动。
    之后，再在…＼linux-2．4．x＼drivers＼char＼Config．in中添加语句
    tristate’PLX9054 Support’CONFIG_PLX9054，这样就可以在运行menuconfig时产生与设备对应的编译选项，图2所示是其编译选项界面图。图中，在前面的尖括号中点Y表示静态加载，点M表示作为模块动态加载。

    最后，运行make menuconfig，剪切内核，并选中需要的模块所对应的编译选项，编译内核。

5 驱动程序的测试
    由于所编写的驱动程序是在PLX官方驱动的基础上得来的，因此，在这里，为了方便测试起见，也应使用PLX公司的SDK包中的测试程序来
查看PCI9054的配置情况，图3所示为五个基址寄存器的映射情况。图4所示为公共缓冲区的映射情况示意图。

6 结束语
    本文首先介绍了在Linux下开发PCI驱动的方法，然后介绍了如何将驱动静态编译到内核，这种方法非常适用于开发以Linux作为嵌入式系统的驱动程序。可以看出，由于Linux系统完全开源，其驱动程序较Windows下的驱动程序简单易懂，框架感更强。此外，由于其具有丰富的开源资源，故其开发成本较低。因此，我们有理由相信，Linux在未来的操作系统市场中的地位会变得越来越重要。