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《Linux Device Drivers》第十二章 PCI驱动程序——note
- 简介
- 本章给出一个高层总线架构的综述
- 讨论重点是用于访问Peripheral Component Interconnect(PCI,外围设备互联)外设的内核函数
- PCI总线是内核中得到最好支持的总线
- 本章主要介绍PCI驱动程序如果寻找其硬件和获得对它的访问
- 本章也会介绍ISA总线
- PCI接口
- PCI是一组完整的规范,定义了计算机的各个不同部分之间应该如何交互
- PCI规范涵盖了与计算机接口相关的大部分问题
- PCI架构被设计为ISA标准的替代品,有三个主要目标
- 获得在计算机和外设之间传输数据时更好的性能
- 通过使用比ISA更高的时钟频率,PCI总线获得了更好的性能,它的时钟频率一般是25或者33MHz(实际的频率是系统时钟的系数),最新的实现达到了66MHz甚至133MHz
- 配备了32位的数据总线,而且规范已经包括了64位的扩展
- 尽可能的平台无关性
- 简化往系统中添加和删除外设的工作
- 获得在计算机和外设之间传输数据时更好的性能
- PCI设备是无跳线设备,可以引导阶段自动配置
- PCI寻址
- 每个PCI外设由一个总线编号、一个设备编号及一个功能编号来标识
- PCI规范允许单个系统拥有高达256个总线,但是256个总线对于许多大型系统而言是不够的,因此,Linux目前支持PCI域
- 每个PCI域可以拥有最多256个总线
- 每个总线上可支持32个设备,每个设备可以是多功能板,最多可有八种功能
- 每种功能都可以在硬件级由一个16位的地址来标识
- 为Linux编写的设备驱动程序可以使用一种特殊的数据结构(pci_dev)来访问设备
- 当前的工作站一般配置有至少两个PCI总线,在单个系统中插入多个总线,可通过桥(bridge)来完成,它是用来连接两个总线的特殊PCI外设
- PCI系统的整体布局组织为树型,其中每个总线连接到上一线总线,直到树根的0号总线
- lspci
- proc/pci
- /proc/bus/pci/
- 查看PCI设备清单和设备的配置寄存器
- /sys/bus/pci/devices
- 每个外设板的硬件电路对如下三种地址空间的查询进行应答
- 内存位置
- I/O端口
- 配置寄存器
- 前两种地址空间由同一PCI总线上的所有设备共享
- 配置空间利用了地理寻址
- 配置查询每次只对一个槽寻址
- 每个PCI槽有四个中断引脚,每个设备功能可使用其中的一个
- PCI总线中的I/O空间使用32位地址总线,而内存空间可通过32位或64位地址来访问
- 引导阶段
- 当PCI设备上电时,硬件保持未激活状态
- 不会有内存和I/O端口映射到计算机的地址空间
- 禁止中断报告
- 每个PCI主板均配备有能够处理PCI的固件,称为BIOS、NVRAM或PROM,固件通过读写PCI控制器中的寄存器,提供了对设备配置地址空间的访问
- 系统引导时,固件在每个PCI外设上执行配置事务,以便为它提供的每个地址区域分配一个安全的位置
- 当PCI设备上电时,硬件保持未激活状态
- 配置寄存器和初始化
- 所有的PCI设备都有至少256字节的地址空间
- 前64字节是标准化的,而其余的是设备相关的
- PCI寄存器始终是小端的
- 驱动程序编写者在访问多字节的配置寄存器时,要十分注意字节序,因为能够在PC上工作队的代码到其他平台上可能就无法工作
- vendorID、deviceID和class是常用的三个寄存器
- vendorID
- 16位寄存器,用于标识硬件制造商
- PCI Special Interest Group维护有一个全球的厂商编号注册表,制造商必须申请一个唯一编号并赋于它们的寄存器
- deviceID
- 16位寄存器,由制造商选择,该ID通常和厂商ID配对生成生成一个唯一的32位硬件设备标识符
- class
- 每个外部设备属于某个类
- 16位寄存器,高8位标识了“基类(base class)”或者组
- subsystem vendorID、subsystem deviceID
- 这两个字段可用来进一步识别设备
- vendorID
- struct pci_device_id用于定义驱动程序支持的不同类型的PCI设备列表
- __u32 vendor;
- __u32 device;
- 以上两字段指定了设备的PCI厂商和设备ID,如果驱动程序可以处理任何厂商或者设备ID,这些字段应该使用值PCI_ANY_ID
- __u32 subvendor;
- __u32 subdevice;
- 以上两字段指定设备的PCI子系统厂商和子系统设备ID,如果驱动程序可以处理任何类型的子系统ID,这些字段应该使用值PCI_ANY_ID
- __u32 class;
- __u32 class_mask;
- 这两个值使驱动程序可以指定它支持一种PCI类(class)设备,如果驱动程序可以处理任何类型的子系统ID,这些字段应该使用值PCI_ANY_ID
- kernel_ulong_t driver_data
- 用来保存PCI驱动程序用于区分不同设备的信息
- 初始化
- PCI_DEVICE(vendor, device)
- PCI_DEVICE_CLASS(device_class, device_class_mask)
- 所有的PCI设备都有至少256字节的地址空间
- MODULE_DEVICE_TABLE
- MODULE_DEVICE_TABLE(pci, i810_ids);
- 创建一个名为__mod_pci_device_table的局部变量,指向struct pci_device_id数组
- 在内核构建过程中,depmod程序在所有的模块中搜索符号__mod_pci_device_table
- 如果找到了该符号,它把数据从该模块中抽出,添加到文件/lib/modules/KERNEL_VERSION/modules.pcimap中
- 当内核告知热插拔系统一个新的PCI设备已经被发现时,热插拔系统使用modules.pcimap文件来寻找要装载的恰当的驱动程序
- MODULE_DEVICE_TABLE(pci, i810_ids);
- 注册PCI驱动程序
- 所以的PCI驱动程序都必须创建的主要结构休是struct pci_driver
- const char *name;
- 驱动程序的名字
- 当驱动程序运行在内核中时,它会出现在sysfs的/sys/bus/pci/drivers/下面
- const struct pci_device_id *id_table
- int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);
- 指向PCI驱动程序中的探测函数的指针同,当PCI核心有一个它认为驱动程序需要控制的struct pci_dev时,就会调用该函数
- void (*remove) (struct pci_dev *dev);
- 指向一个移除函数的指针,当struct pci_dev被从系统中移除,或者PCI驱动程序正在从内核中卸载时,PCI核心调用该函数
- void (*suspend) (struct pci_dev *dev, u32 state);
- 指向一个恢复函数的指针,当struct pci_dev被恢复时PCI核心调用该函数
- const char *name;
- int pci_register_driver(struct pci_driver *drv);
- 注册成功返回0,否则,返回一个负的错误编号
- void pci_unregister_driver(struct pci_driver *drv);
- 在支持PCI热插拔的系统或者CardBus系统上,PCI设备可以在任何时刻出现或者消失
- 2.6内核允许在驱动程序被装载之后动态地分配新的PCI ID给它
- 所以的PCI驱动程序都必须创建的主要结构休是struct pci_driver
- 老式PCI探测
- struct pci_dev *pci_get_device(unsigned int vendor, unsigned int device, struct pci_dev *from);
- struct pci_dev *pci_get_subsys(unsigned int vendor, unsigned int device, unsigned int ss_vendor, unsigned int ss_device, struct pci_dev *from);
- struct pci_dev *pci_get_slot(struct pci_bus *bus, unsigned int devfn);
- 激活PCI设备
- int pci_enable_device(struct pci_dev *dev);
- 访问配置空间
- 在驱动程序检测到设备之后,通常需要读取或写入三个地址空间
- 内存
- 端口
- 配置
- <linux/pci.h>
- int pci_read_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 *val);
- int pci_read_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 *val);
- int pci_read_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 *val);
- int pci_write_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 *val);
- int pci_write_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 *val);
- int pci_write_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 *val);
- int pci_bus_read_config_byte (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, u8 *val);
- int pci_bus_read_config_word (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, u16 *val);
- int pci_bus_read_config_dword (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, u32 *val);
- int pci_bus_write_config_byte (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, u8 *val);
- int pci_bus_write_config_word (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, u16 *val);
- int pci_bus_write_config_dword (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, u32 *val);
- 在驱动程序检测到设备之后,通常需要读取或写入三个地址空间
- 访问I/O和内存空间
- 一个PCI设备可实现多达6个I/O地址区域
- 一个接口板通过配置寄存器报告其区域的大小和当前位置,它们的符号名称为PCI_BASE_ADDRESS_0到PCI_BASE_ADDRESS_5
- 在内核中,PCI设备的I/O区域已经被集成到通用资源管理,我们无需访问配置变量来了解设备被映射到内存或I/O空间的何处
- unsigned long pci_resource_start(struct pci_dev *dev, int bar);
- unsigned long pci_resource_end(struct pci_dev *dev, int bar);
- unsinged long pci_resource_flags(struct pci_dev *dev, int bar);
- <linux/ioport.h>
- IORESOURCE_IO
- IORESOURCE_MEM
- IORESOURCE_PREFETCH
- IORESOURCE_READONLY
- 中断号保存在配置寄存器60(PCI_INTERRUPT_LINE)中,该寄存器为一个字节宽
- 如果设备不支持中断,寄存器61(PCI_INTERRUPT_PIN)是0
- 硬件抽象
- 在PCI管理中,唯一依赖于硬件的操作是读取和写入配置寄存器
- 用于配置寄存器访问的相关结构仅包含2个字段
- struct pci_ops
- int (*read) (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, int size, u32 *val);
- int (*write) (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, int size, u32 val);
- struct pci_ops
- 该结构在<linux/pci.h>中定义,并由drivers/pci/pci.c使用,后者定义了实际的公共函数
- PCI寻址
- ISA回顾
- ISA总线在设计上相当陈旧而且其差劲的性能臭名昭著
- 当要支持老主板而速度又不是非常重要时,ISA比起PCI要占些优势
- 如果你是一位电子爱好者,你可以非常容易地设计开发自己的ISA设备
- ISA的最大不足在于它被紧紧绑定在PC架构上
- ISA设计的另外一个大问题是缺少地理寻址
- 硬件资源
- 一个ISA设备可配备有I/O端口、内存区域以及中断线
- 即插即用规范
- 某些新的ISA设备板遵循特殊的设计原则,需要一个特殊的初始化序列,以便简化附加接口板的安装和配置,这些接口板的设计规范称为PnP(Plug and Play,即插即用)。
- PnP的目标是获得类似PCI设备那样的灵活性,而无需修改底层的电气接口(即ISA总线)。为此,该规范定义了一组设备无关的配置寄存器,以及地址寻址接口板的方法。
- PC/104和PC/104+
- 这两个标准都规定了印刷电路板的外形,以及板间互连的电气/机械规范,这些总线的实际好处在于,它们可以使用在设备一面的插头-插座类型的连接器把多个电路板垂直堆叠起来
- 这两个总线的电子和逻辑布局和ISA(PC/104)及PCI(PC/104+)一样
- 其他的PC总线
- MCA
- MCA(Micro Channel Architecture,微通道结构)是在PS/2计算机和某些笔记本电脑使用的IBM标准
- 支持多主DMA、32位地址和数据线、共享中断线和用来访问板载配置寄存器的地理寻址等
- EISA
- 扩展ISA(EISA)总线是对ISA总线的32扩展,同时具有兼容的接口连接器
- 为无跳线设备而设计
- 32位地址和数据线、多主DMA和共享中断线
- VLB
- VLB(VESA Local Bus,VESA局部总线)接口总线,它通过添加第三个纵向插槽对ISA连接器进行了扩展
- MCA
- SBus
- 存在很长一段时间了,具有相当高级的设计
- 尽管只有SPARC计算机使用该总线,但它的初衷却是处理器无关的,并针对I/O外设板进行了优化
- NuBus
- 可以在老式的Mac计算机(使用M68k系列CPU)中找到它
- 所有的总线都是内存映射的,而且设备只能被地理寻址
- 外部总线
- 外部总线包括:USB、FireWire和IEEE1284
- 这些总线既不是功能完整的接口总线(比如PCI),也是哑的通信通道(比如串口)
- 通常可划分为两个级别
- 硬件控制器的驱动程序
- 针对特定“客户”设备的驱动程序
《Linux Device Drivers》第十二章 PCI驱动程序——note
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