PCI是一種廣泛采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，它提供了許多優(yōu)于其它總線標(biāo)準(zhǔn)（如EISA）的新特性，目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，并且最為通用的總線標(biāo)準(zhǔn)。Linux的內(nèi)核能較好地支持PCI總線，本文以Intel 386體系結(jié)構(gòu)為主，探討了在Linux下開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架。

一、PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

PCI是外圍設(shè)備互連（Peripheral Component Interconnect）的簡稱，作為一種通用的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，它在目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。PCI提供了一組完整的總線接口規(guī)范，其目的是描述如何將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備以一種結(jié)構(gòu)化和可控化的方式連接在一起，同時(shí)它還刻畫了外圍設(shè)備在連接時(shí)的電氣特性和行為規(guī)約，并且詳細(xì)定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)不同部件之間應(yīng)該如何正確地進(jìn)行交互。

無論是在基于Intel芯片的PC機(jī)中，或是在基于Alpha芯片的工作站上，PCI毫無疑問都是目前使用最廣泛的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。同舊式的ISA總線不同，PCI將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的總線子系統(tǒng)與存儲(chǔ)子系統(tǒng)完全地分開，CPU通過一塊稱為PCI橋（PCI-Bridge）的設(shè)備來完成同總線子系統(tǒng)的交互，如圖1所示。

圖1 PCI子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

由于使用了更高的時(shí)鐘頻率，因此PCI總線能夠獲得比ISA總線更好的整體性能。PCI總線的時(shí)鐘頻率一般在25MHz到33MHz范圍內(nèi)，有些甚至能夠達(dá)到66MHz或者133MHz，而在64位系統(tǒng)中則最高能達(dá)到266MHz。盡管目前PCI設(shè)備大多采用32位數(shù)據(jù)總線，但PCI規(guī)范中已經(jīng)給出了64位的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，從而使PCI總線能夠更好地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無關(guān)性，現(xiàn)在PCI總線已經(jīng)能夠用于IA-32、Alpha、PowerPC、SPARC64和IA-64等體系結(jié)構(gòu)中。

PCI總線具有三個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，使得它能夠完成最終取代ISA總線這一歷史使命：

在計(jì)算機(jī)和外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)具有更好的性能；

能夠盡量獨(dú)立于具體的平臺(tái)；

可以很方便地實(shí)現(xiàn)即插即用。

圖2是一個(gè)典型的基于PCI總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)邏輯示意圖，系統(tǒng)的各個(gè)部分通過PCI總線和PCI-PCI橋連接在一起。從圖中不難看出，CPU和RAM需要通過PCI橋連接到PCI總線0（即主PCI總線），而具有PCI接口的顯卡則可以直接連接到主PCI總線上。PCI-PCI橋是一個(gè)特殊的PCI設(shè)備，它負(fù)責(zé)將PCI總線0和PCI總線1（即從PCI主線）連接在一起，通常PCI總線1稱為PCI-PCI橋的下游（downstream），而PCI總線0則稱為PCI-PCI橋的上游（upstream）。圖中連接到從PCI總線上的是SCSI卡和以太網(wǎng)卡。為了兼容舊的ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線還可以通過PCI-ISA橋來連接ISA總線，從而能夠支持以前的ISA設(shè)備。圖中ISA總線上連接著一個(gè)多功能I/O控制器，用于控制鍵盤、鼠標(biāo)和軟驅(qū)。

圖2 PCI系統(tǒng)示意圖

在此我只對(duì)PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)作了概括性介紹，如果讀者想進(jìn)一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel（http://tldp.org/LDP/tlk/dd/pci.html）中對(duì)Linux的PCI子系統(tǒng)有比較詳細(xì)的介紹。

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二、Linux驅(qū)動(dòng)程序框架

Linux將所有外部設(shè)備看成是一類特殊文件，稱之為“設(shè)備文件”，如果說系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，那么設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則可以看成是Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件在實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備。

1. 字符設(shè)備和塊設(shè)備

Linux抽象了對(duì)硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以像普通文件一樣來看待：它們可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個(gè)特殊的設(shè)備文件來表示，例如，系統(tǒng)中的第一個(gè)IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個(gè)設(shè)備文件對(duì)應(yīng)有兩個(gè)設(shè)備號(hào)：一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)該設(shè)備的種類，也標(biāo)識(shí)了該設(shè)備所使用的驅(qū)動(dòng)程序；另一個(gè)是次設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登錄該設(shè)備時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無法訪問到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件：一類是字符設(shè)備，另一類則是塊設(shè)備。字符設(shè)備是以字節(jié)為單位逐個(gè)進(jìn)行I/O操作的設(shè)備，在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來說字符設(shè)備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機(jī)訪問。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫請(qǐng)求時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序先查看緩沖區(qū)中的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求就返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應(yīng)的請(qǐng)求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，其目的是避免耗費(fèi)過多的CPU時(shí)間來等待操作的完成。一般說來，PCI卡通常都屬于字符設(shè)備。

所有已經(jīng)注冊(cè)（即已經(jīng)加載了驅(qū)動(dòng)程序）的硬件設(shè)備的主設(shè)備號(hào)可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設(shè)備文件，同時(shí)為其分配相應(yīng)的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。例如，下面的命令：

[root@gary root]# mknod /dev/lp0 c 6 0

將建立一個(gè)主設(shè)備號(hào)為6，次設(shè)備號(hào)為0的字符設(shè)備文件/dev/lp0。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)δ硞€(gè)設(shè)備文件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，Linux內(nèi)核會(huì)根據(jù)該設(shè)備文件的設(shè)備類型和主設(shè)備號(hào)調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并從用戶態(tài)進(jìn)入到核心態(tài)，再由驅(qū)動(dòng)程序判斷該設(shè)備的次設(shè)備號(hào)，最終完成對(duì)相應(yīng)硬件的操作。

2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口

Linux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的：

struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);};

當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時(shí)，內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的read函數(shù)。

2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊

Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式進(jìn)行編譯，一種是直接靜態(tài)編譯成內(nèi)核的一部分，另一種則是編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊。如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)地卸載，不利于調(diào)試，所有推薦使用模塊方式。

從本質(zhì)上來講，模塊也是內(nèi)核的一部分，它不同于普通的應(yīng)用程序，不能調(diào)用位于用戶態(tài)下的C或者C++庫函數(shù)，而只能調(diào)用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)，在/proc/ksyms中可以查看到內(nèi)核提供的所有函數(shù)。

在以模塊方式編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)必不可少的函數(shù)init_module( )和cleanup_module( )，而且至少要包含和兩個(gè)頭文件。在用gcc編譯內(nèi)核模塊時(shí)，需要加上-DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX這幾個(gè)參數(shù)，編譯生成的模塊（一般為.o文件）可以使用命令insmod載入Linux內(nèi)核，從而成為內(nèi)核的一個(gè)組成部分，此時(shí)內(nèi)核會(huì)調(diào)用模塊中的函數(shù)init_module( )。當(dāng)不需要該模塊時(shí)，可以使用rmmod命令進(jìn)行卸載，此進(jìn)內(nèi)核會(huì)調(diào)用模塊中的函數(shù)cleanup_module( )。任何時(shí)候都可以使用命令來lsmod查看目前已經(jīng)加載的模塊以及正在使用該模塊的用戶數(shù)。

3. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

了解設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)（或者稱為框架），對(duì)開發(fā)人員而言是非常重要的，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序大致可以分為如下幾個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷、設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理。

釋放設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release( )來完成的，這個(gè)設(shè)備方法有時(shí)也被稱為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作：

驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷

向系統(tǒng)增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序意味著要賦予它一個(gè)主設(shè)備號(hào)，這可以通過在驅(qū)動(dòng)程序的初始化過程中調(diào)用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來完成。而在關(guān)閉字符設(shè)備或者塊設(shè)備時(shí)，則需要通過調(diào)用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內(nèi)核中注銷設(shè)備，同時(shí)釋放占用的主設(shè)備號(hào)。

設(shè)備的打開與釋放

打開設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open( )來完成的，它是驅(qū)動(dòng)程序用來為今后的操作完成初始化準(zhǔn)備工作的。在大部分驅(qū)動(dòng)程序中，open( )通常需要完成下列工作：

檢查設(shè)備相關(guān)錯(cuò)誤，如設(shè)備尚未準(zhǔn)備好等。

如果是第一次打開，則初始化硬件設(shè)備。

識(shí)別次設(shè)備號(hào)，如果有必要?jiǎng)t更新讀寫操作的當(dāng)前位置指針f_ops。

分配和填寫要放在file->private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

使用計(jì)數(shù)增1。

使用計(jì)數(shù)減1。

釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。

如果使用計(jì)算為0，則關(guān)閉設(shè)備。

設(shè)備的讀寫操作

字符設(shè)備的讀寫操作相對(duì)比較簡單，直接使用函數(shù)read( )和write( )就可以了。但如果是塊設(shè)備的話，則需要調(diào)用函數(shù)block_read( )和block_write( )來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個(gè)函數(shù)將向設(shè)備請(qǐng)求表中增加讀寫請(qǐng)求，以便Linux內(nèi)核可以對(duì)請(qǐng)求順序進(jìn)行優(yōu)化。由于是對(duì)內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內(nèi)存緩沖區(qū)中沒有所要讀入的數(shù)據(jù)，或者需要執(zhí)行寫操作將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備，那么就要執(zhí)行真正的數(shù)據(jù)傳輸，這是通過調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blk_dev_struct中的函數(shù)request_fn( )來完成的。

設(shè)備的控制操作

除了讀寫操作外，應(yīng)用程序有時(shí)還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，這可以通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)ioctl( )來完成。ioctl( )的用法與具體設(shè)備密切關(guān)聯(lián)，因此需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

設(shè)備的中斷和輪詢處理

對(duì)于不支持中斷的硬件設(shè)備，讀寫時(shí)需要輪流查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)，以便決定是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果設(shè)備支持中斷，則可以按中斷方式進(jìn)行操作。

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三、PCI驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

1. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

PCI設(shè)備上有三種地址空間：PCI的I/O空間、PCI的存儲(chǔ)空間和PCI的配置空間。CPU可以訪問PCI設(shè)備上的所有地址空間，其中I/O空間和存儲(chǔ)空間提供給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用，而配置空間則由Linux內(nèi)核中的PCI初始化代碼使用。內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)所有PCI設(shè)備進(jìn)行初始化，配置好所有的PCI設(shè)備，包括中斷號(hào)以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI設(shè)備，以及這些設(shè)備的參數(shù)和屬性。

Linux驅(qū)動(dòng)程序通常使用結(jié)構(gòu)（struct）來表示一種設(shè)備，而結(jié)構(gòu)體中的變量則代表某一具體設(shè)備，該變量存放了與該設(shè)備相關(guān)的所有信息。好的驅(qū)動(dòng)程序都應(yīng)該能驅(qū)動(dòng)多個(gè)同種設(shè)備，每個(gè)設(shè)備之間用次設(shè)備號(hào)進(jìn)行區(qū)分，如果采用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來代表所有能由該驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，那么就可以簡單地使用數(shù)組下標(biāo)來表示次設(shè)備號(hào)。

在PCI驅(qū)動(dòng)程序中，下面幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)起著非常核心的作用：

pci_driver

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在文件include/linux/pci.h里，這是Linux內(nèi)核版本2.4之后為新型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所添加的，其中最主要的是用于識(shí)別設(shè)備的id_table結(jié)構(gòu)，以及用于檢測(cè)設(shè)備的函數(shù)probe( )和卸載設(shè)備的函數(shù)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

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也在文件include/linux/pci.h里，它詳細(xì)描述了一個(gè)PCI設(shè)備幾乎所有的硬件信息，包括廠商ID、設(shè)備ID、各種資源等：

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

在用模塊方式實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，通常至少要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)部分：初始化設(shè)備模塊、設(shè)備打開模塊、數(shù)據(jù)讀寫和控制模塊、中斷處理模塊、設(shè)備釋放模塊、設(shè)備卸載模塊。下面給出一個(gè)典型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架，從中不難體會(huì)到這幾個(gè)關(guān)鍵模塊是如何組織起來的。

/* 指明該驅(qū)動(dòng)程序適用于哪一些PCI設(shè)備 */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,}};/* 對(duì)特定PCI設(shè)備進(jìn)行描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */struct demo_card { unsigned int magic; /* 使用鏈表保存所有同類的PCI設(shè)備 */ struct demo_card *next; /* ... */}/* 中斷處理模塊 */static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs){ /* ... */}/* 設(shè)備文件操作接口 */static struct file_operations demo_fops = { owner: THIS_MODULE, /* demo_fops所屬的設(shè)備模塊 */ read: demo_read, /* 讀設(shè)備操作*/ write: demo_write, /* 寫設(shè)備操作*/ ioctl: demo_ioctl, /* 控制設(shè)備操作*/ mmap: demo_mmap, /* 內(nèi)存重映射操作*/ open: demo_open, /* 打開設(shè)備操作*/ release: demo_release /* 釋放設(shè)備操作*/ /* ... */};/* 設(shè)備模塊信息 */static struct pci_driver demo_pci_driver = { name: demo_MODULE_NAME, /* 設(shè)備模塊名稱 */ id_table: demo_pci_tbl, /* 能夠驅(qū)動(dòng)的設(shè)備列表 */ probe: demo_probe, /* 查找并初始化設(shè)備 */ remove: demo_remove /* 卸載設(shè)備模塊 */ /* ... */};static int __init demo_init_module (void){ /* ... */}static void __exit demo_cleanup_module (void){ pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);}/* 加載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */module_init(demo_init_module);/* 卸載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */module_exit(demo_cleanup_module);

上面這段代碼給出了一個(gè)典型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架，是一種相對(duì)固定的模式。需要注意的是，同加載和卸載模塊相關(guān)的函數(shù)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都要在前面加上__init、__exit等標(biāo)志符，以使同普通函數(shù)區(qū)分開來。構(gòu)造出這樣一個(gè)框架之后，接下去的工作就是如何完成框架內(nèi)的各個(gè)功能模塊了。

3. 初始化設(shè)備模塊

在Linux系統(tǒng)下，想要完成對(duì)一個(gè)PCI設(shè)備的初始化，需要完成以下工作：

檢查PCI總線是否被Linux內(nèi)核支持；

檢查設(shè)備是否插在總線插槽上，如果在的話則保存它所占用的插槽的位置等信息。

讀出配置頭中的信息提供給驅(qū)動(dòng)程序使用。

當(dāng)Linux內(nèi)核啟動(dòng)并完成對(duì)所有PCI設(shè)備進(jìn)行掃描、登錄和分配資源等初始化操作的同時(shí)，會(huì)建立起系統(tǒng)中所有PCI設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此后當(dāng)PCI驅(qū)動(dòng)程序需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化時(shí)，一般都會(huì)調(diào)用如下的代碼：

static int __init demo_init_module (void){ /* 檢查系統(tǒng)是否支持PCI總線 */ if (!pci_present()) return -ENODEV; /* 注冊(cè)硬件驅(qū)動(dòng)程序 */ if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)) { pci_unregister_driver(&demo_pci_driver); return -ENODEV; } /* ... */ return 0;}

驅(qū)動(dòng)程序首先調(diào)用函數(shù)pci_present( )檢查PCI總線是否已經(jīng)被Linux內(nèi)核支持，如果系統(tǒng)支持PCI總線結(jié)構(gòu)，這個(gè)函數(shù)的返回值為0，如果驅(qū)動(dòng)程序在調(diào)用這個(gè)函數(shù)時(shí)得到了一個(gè)非0的返回值，那么驅(qū)動(dòng)程序就必須得中止自己的任務(wù)了。在2.4以前的內(nèi)核中，需要手工調(diào)用pci_find_device( )函數(shù)來查找PCI設(shè)備，但在2.4以后更好的辦法是調(diào)用pci_register_driver( )函數(shù)來注冊(cè)PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，此時(shí)需要提供一個(gè)pci_driver結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中給出的probe探測(cè)例程將負(fù)責(zé)完成對(duì)硬件的檢測(cè)工作。

static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct pci_device_id *pci_id){ struct demo_card *card; /* 啟動(dòng)PCI設(shè)備 */ if (pci_enable_device(pci_dev)) return -EIO; /* 設(shè)備DMA標(biāo)識(shí) */ if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) { return -ENODEV; } /* 在內(nèi)核空間中動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)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)); /* 讀取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; /* 設(shè)置成總線主DMA模式 */ pci_set_master(pci_dev); /* 申請(qǐng)I/O資源 */ request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data]); return 0;}

4. 打開設(shè)備模塊

在這個(gè)模塊里主要實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)中斷、檢查讀寫模式以及申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán)等。在申請(qǐng)控制權(quán)的時(shí)候，非阻塞方式遇忙返回，否則進(jìn)程主動(dòng)接受調(diào)度，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待其它進(jìn)程釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)。

static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file){ /* 申請(qǐng)中斷，注冊(cè)中斷處理程序 */ request_irq(card->irq, &demo_interrupt, SA_SHIRQ, card_names[pci_id->driver_data], card)) { /* 檢查讀寫模式 */ if(file->f_mode & FMODE_READ) { /* ... */ } if(file->f_mode & FMODE_WRITE) { /* ... */ } /* 申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán) */ 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 { /* 等待調(diào)度，獲得控制權(quán) */ card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE); up(&card->open_sem); /* 設(shè)備打開計(jì)數(shù)增1 */ MOD_INC_USE_COUNT; /* ... */ } }}

5. 數(shù)據(jù)讀寫和控制信息模塊

PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以通過demo_fops 結(jié)構(gòu)中的函數(shù)demo_ioctl( )，向應(yīng)用程序提供對(duì)硬件進(jìn)行控制的接口。例如，通過它可以從I/O寄存器里讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，并傳送到用戶空間里：

static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg){ /* ... */ switch(cmd) { case DEMO_RDATA: /* 從I/O端口讀取4字節(jié)的數(shù)據(jù) */ val = inl(card->iobae + 0x10); /* 將讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艨臻g */ return 0; } /* ... */}

事實(shí)上，在demo_fops里還可以實(shí)現(xiàn)諸如demo_read( )、demo_mmap( )等操作，Linux內(nèi)核源碼中的driver目錄里提供了許多設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的源代碼，找那里可以找到類似的例子。在對(duì)資源的訪問方式上，除了有I/O指令以外，還有對(duì)外設(shè)I/O內(nèi)存的訪問。對(duì)這些內(nèi)存的操作一方面可以通過把I/O內(nèi)存重新映射后作為普通內(nèi)存進(jìn)行操作，另一方面也可以通過總線主DMA（Bus Master DMA）的方式讓設(shè)備把數(shù)據(jù)通過DMA傳送到系統(tǒng)內(nèi)存中。

6. 中斷處理模塊

PC的中斷資源比較有限，只有0~15的中斷號(hào)，因此大部分外部設(shè)備都是以共享的形式申請(qǐng)中斷號(hào)的。當(dāng)中斷發(fā)生的時(shí)候，中斷處理程序首先負(fù)責(zé)對(duì)中斷進(jìn)行識(shí)別，然后再做進(jìn)一步的處理。

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); /* 識(shí)別中斷 */ status = inl(card->iobase + GLOB_STA); if(!(status & INT_MASK)) { spin_unlock(&card->lock); return; /* not for us */ } /* 告訴設(shè)備已經(jīng)收到中斷 */ outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA); spin_unlock(&card->lock); /* 其它進(jìn)一步的處理，如更新DMA緩沖區(qū)指針等 */}

7. 釋放設(shè)備模塊

釋放設(shè)備模塊主要負(fù)責(zé)釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)，釋放占用的內(nèi)存和中斷等，所做的事情正好與打開設(shè)備模塊相反：

static int demo_release(struct inode *inode, struct file *file){ /* ... */ /* 釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán) */ card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE); /* 喚醒其它等待獲取控制權(quán)的進(jìn)程 */ wake_up(&card->open_wait); up(&card->open_sem); /* 釋放中斷 */ free_irq(card->irq, card); /* 設(shè)備打開計(jì)數(shù)增1 */ MOD_DEC_USE_COUNT; /* ... */ }

8. 卸載設(shè)備模塊

卸載設(shè)備模塊與初始化設(shè)備模塊是相對(duì)應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)比較簡單，主要是調(diào)用函數(shù)pci_unregister_driver( )從Linux內(nèi)核中注銷設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：

static void __exit demo_cleanup_module (void){ pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);}

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四、小結(jié)

PCI總線不僅是目前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，而且是一種兼容性最強(qiáng)、功能最全的計(jì)算機(jī)總線。而Linux作為一種新的操作系統(tǒng)，其發(fā)展前景是無法估量的，同時(shí)也為PCI總線與各種新型設(shè)備互連成為可能。由于Linux源碼開放，因此給連接到PCI總線上的任何設(shè)備編寫驅(qū)動(dòng)程序變得相對(duì)容易。本文介紹如何編譯Linux下的PCI驅(qū)動(dòng)程序，針對(duì)的內(nèi)核版本是2.4。

PCI是一種廣泛采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，它提供了許多優(yōu)于其它總線標(biāo)準(zhǔn)（如EISA）的新特性，目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，并且最為通用的總線標(biāo)準(zhǔn)。Linux的內(nèi)核能較好地支持PCI總線，本文以Intel 386體系結(jié)構(gòu)為主，探討了在Linux下開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架。

一、PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

PCI是外圍設(shè)備互連（Peripheral Component Interconnect）的簡稱，作為一種通用的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，它在目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。PCI提供了一組完整的總線接口規(guī)范，其目的是描述如何將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備以一種結(jié)構(gòu)化和可控化的方式連接在一起，同時(shí)它還刻畫了外圍設(shè)備在連接時(shí)的電氣特性和行為規(guī)約，并且詳細(xì)定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)不同部件之間應(yīng)該如何正確地進(jìn)行交互。

無論是在基于Intel芯片的PC機(jī)中，或是在基于Alpha芯片的工作站上，PCI毫無疑問都是目前使用最廣泛的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。同舊式的ISA總線不同，PCI將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的總線子系統(tǒng)與存儲(chǔ)子系統(tǒng)完全地分開，CPU通過一塊稱為PCI橋（PCI-Bridge）的設(shè)備來完成同總線子系統(tǒng)的交互，如圖1所示。

圖1 PCI子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

由于使用了更高的時(shí)鐘頻率，因此PCI總線能夠獲得比ISA總線更好的整體性能。PCI總線的時(shí)鐘頻率一般在25MHz到33MHz范圍內(nèi)，有些甚至能夠達(dá)到66MHz或者133MHz，而在64位系統(tǒng)中則最高能達(dá)到266MHz。盡管目前PCI設(shè)備大多采用32位數(shù)據(jù)總線，但PCI規(guī)范中已經(jīng)給出了64位的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，從而使PCI總線能夠更好地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無關(guān)性，現(xiàn)在PCI總線已經(jīng)能夠用于IA-32、Alpha、PowerPC、SPARC64和IA-64等體系結(jié)構(gòu)中。

PCI總線具有三個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，使得它能夠完成最終取代ISA總線這一歷史使命：

在計(jì)算機(jī)和外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)具有更好的性能；

能夠盡量獨(dú)立于具體的平臺(tái)；

可以很方便地實(shí)現(xiàn)即插即用。

圖2是一個(gè)典型的基于PCI總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)邏輯示意圖，系統(tǒng)的各個(gè)部分通過PCI總線和PCI-PCI橋連接在一起。從圖中不難看出，CPU和RAM需要通過PCI橋連接到PCI總線0（即主PCI總線），而具有PCI接口的顯卡則可以直接連接到主PCI總線上。PCI-PCI橋是一個(gè)特殊的PCI設(shè)備，它負(fù)責(zé)將PCI總線0和PCI總線1（即從PCI主線）連接在一起，通常PCI總線1稱為PCI-PCI橋的下游（downstream），而PCI總線0則稱為PCI-PCI橋的上游（upstream）。圖中連接到從PCI總線上的是SCSI卡和以太網(wǎng)卡。為了兼容舊的ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線還可以通過PCI-ISA橋來連接ISA總線，從而能夠支持以前的ISA設(shè)備。圖中ISA總線上連接著一個(gè)多功能I/O控制器，用于控制鍵盤、鼠標(biāo)和軟驅(qū)。

圖2 PCI系統(tǒng)示意圖

在此我只對(duì)PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)作了概括性介紹，如果讀者想進(jìn)一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel（http://tldp.org/LDP/tlk/dd/pci.html）中對(duì)Linux的PCI子系統(tǒng)有比較詳細(xì)的介紹。

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二、Linux驅(qū)動(dòng)程序框架

Linux將所有外部設(shè)備看成是一類特殊文件，稱之為“設(shè)備文件”，如果說系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，那么設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則可以看成是Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件在實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備。

1. 字符設(shè)備和塊設(shè)備

Linux抽象了對(duì)硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以像普通文件一樣來看待：它們可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個(gè)特殊的設(shè)備文件來表示，例如，系統(tǒng)中的第一個(gè)IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個(gè)設(shè)備文件對(duì)應(yīng)有兩個(gè)設(shè)備號(hào)：一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)該設(shè)備的種類，也標(biāo)識(shí)了該設(shè)備所使用的驅(qū)動(dòng)程序；另一個(gè)是次設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登錄該設(shè)備時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無法訪問到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件：一類是字符設(shè)備，另一類則是塊設(shè)備。字符設(shè)備是以字節(jié)為單位逐個(gè)進(jìn)行I/O操作的設(shè)備，在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來說字符設(shè)備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機(jī)訪問。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫請(qǐng)求時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序先查看緩沖區(qū)中的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求就返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應(yīng)的請(qǐng)求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，其目的是避免耗費(fèi)過多的CPU時(shí)間來等待操作的完成。一般說來，PCI卡通常都屬于字符設(shè)備。

所有已經(jīng)注冊(cè)（即已經(jīng)加載了驅(qū)動(dòng)程序）的硬件設(shè)備的主設(shè)備號(hào)可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設(shè)備文件，同時(shí)為其分配相應(yīng)的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。例如，下面的命令：

[root@gary root]# mknod /dev/lp0 c 6 0

將建立一個(gè)主設(shè)備號(hào)為6，次設(shè)備號(hào)為0的字符設(shè)備文件/dev/lp0。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)δ硞€(gè)設(shè)備文件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，Linux內(nèi)核會(huì)根據(jù)該設(shè)備文件的設(shè)備類型和主設(shè)備號(hào)調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并從用戶態(tài)進(jìn)入到核心態(tài)，再由驅(qū)動(dòng)程序判斷該設(shè)備的次設(shè)備號(hào)，最終完成對(duì)相應(yīng)硬件的操作。

2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口

Linux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的：

struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);};

當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時(shí)，內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的read函數(shù)。

2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊

Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式進(jìn)行編譯，一種是直接靜態(tài)編譯成內(nèi)核的一部分，另一種則是編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊。如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)地卸載，不利于調(diào)試，所有推薦使用模塊方式。

從本質(zhì)上來講，模塊也是內(nèi)核的一部分，它不同于普通的應(yīng)用程序，不能調(diào)用位于用戶態(tài)下的C或者C++庫函數(shù)，而只能調(diào)用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)，在/proc/ksyms中可以查看到內(nèi)核提供的所有函數(shù)。

在以模塊方式編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)必不可少的函數(shù)init_module( )和cleanup_module( )，而且至少要包含和兩個(gè)頭文件。在用gcc編譯內(nèi)核模塊時(shí)，需要加上-DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX這幾個(gè)參數(shù)，編譯生成的模塊（一般為.o文件）可以使用命令insmod載入Linux內(nèi)核，從而成為內(nèi)核的一個(gè)組成部分，此時(shí)內(nèi)核會(huì)調(diào)用模塊中的函數(shù)init_module( )。當(dāng)不需要該模塊時(shí)，可以使用rmmod命令進(jìn)行卸載，此進(jìn)內(nèi)核會(huì)調(diào)用模塊中的函數(shù)cleanup_module( )。任何時(shí)候都可以使用命令來lsmod查看目前已經(jīng)加載的模塊以及正在使用該模塊的用戶數(shù)。

3. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

了解設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)（或者稱為框架），對(duì)開發(fā)人員而言是非常重要的，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序大致可以分為如下幾個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷、設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理。

釋放設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release( )來完成的，這個(gè)設(shè)備方法有時(shí)也被稱為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作：

驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷

向系統(tǒng)增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序意味著要賦予它一個(gè)主設(shè)備號(hào)，這可以通過在驅(qū)動(dòng)程序的初始化過程中調(diào)用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來完成。而在關(guān)閉字符設(shè)備或者塊設(shè)備時(shí)，則需要通過調(diào)用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內(nèi)核中注銷設(shè)備，同時(shí)釋放占用的主設(shè)備號(hào)。

設(shè)備的打開與釋放

打開設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open( )來完成的，它是驅(qū)動(dòng)程序用來為今后的操作完成初始化準(zhǔn)備工作的。在大部分驅(qū)動(dòng)程序中，open( )通常需要完成下列工作：

檢查設(shè)備相關(guān)錯(cuò)誤，如設(shè)備尚未準(zhǔn)備好等。

如果是第一次打開，則初始化硬件設(shè)備。

識(shí)別次設(shè)備號(hào)，如果有必要?jiǎng)t更新讀寫操作的當(dāng)前位置指針f_ops。

分配和填寫要放在file->private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

使用計(jì)數(shù)增1。

使用計(jì)數(shù)減1。

釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。

如果使用計(jì)算為0，則關(guān)閉設(shè)備。

設(shè)備的讀寫操作

字符設(shè)備的讀寫操作相對(duì)比較簡單，直接使用函數(shù)read( )和write( )就可以了。但如果是塊設(shè)備的話，則需要調(diào)用函數(shù)block_read( )和block_write( )來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個(gè)函數(shù)將向設(shè)備請(qǐng)求表中增加讀寫請(qǐng)求，以便Linux內(nèi)核可以對(duì)請(qǐng)求順序進(jìn)行優(yōu)化。由于是對(duì)內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內(nèi)存緩沖區(qū)中沒有所要讀入的數(shù)據(jù)，或者需要執(zhí)行寫操作將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備，那么就要執(zhí)行真正的數(shù)據(jù)傳輸，這是通過調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blk_dev_struct中的函數(shù)request_fn( )來完成的。

設(shè)備的控制操作

除了讀寫操作外，應(yīng)用程序有時(shí)還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，這可以通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)ioctl( )來完成。ioctl( )的用法與具體設(shè)備密切關(guān)聯(lián)，因此需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

設(shè)備的中斷和輪詢處理

對(duì)于不支持中斷的硬件設(shè)備，讀寫時(shí)需要輪流查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)，以便決定是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果設(shè)備支持中斷，則可以按中斷方式進(jìn)行操作。

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三、PCI驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

1. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

PCI設(shè)備上有三種地址空間：PCI的I/O空間、PCI的存儲(chǔ)空間和PCI的配置空間。CPU可以訪問PCI設(shè)備上的所有地址空間，其中I/O空間和存儲(chǔ)空間提供給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用，而配置空間則由Linux內(nèi)核中的PCI初始化代碼使用。內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)所有PCI設(shè)備進(jìn)行初始化，配置好所有的PCI設(shè)備，包括中斷號(hào)以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI設(shè)備，以及這些設(shè)備的參數(shù)和屬性。

Linux驅(qū)動(dòng)程序通常使用結(jié)構(gòu)（struct）來表示一種設(shè)備，而結(jié)構(gòu)體中的變量則代表某一具體設(shè)備，該變量存放了與該設(shè)備相關(guān)的所有信息。好的驅(qū)動(dòng)程序都應(yīng)該能驅(qū)動(dòng)多個(gè)同種設(shè)備，每個(gè)設(shè)備之間用次設(shè)備號(hào)進(jìn)行區(qū)分，如果采用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來代表所有能由該驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，那么就可以簡單地使用數(shù)組下標(biāo)來表示次設(shè)備號(hào)。

在PCI驅(qū)動(dòng)程序中，下面幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)起著非常核心的作用：

pci_driver

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在文件include/linux/pci.h里，這是Linux內(nèi)核版本2.4之后為新型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所添加的，其中最主要的是用于識(shí)別設(shè)備的id_table結(jié)構(gòu)，以及用于檢測(cè)設(shè)備的函數(shù)probe( )和卸載設(shè)備的函數(shù)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

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也在文件include/linux/pci.h里，它詳細(xì)描述了一個(gè)PCI設(shè)備幾乎所有的硬件信息，包括廠商ID、設(shè)備ID、各種資源等：

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

在用模塊方式實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，通常至少要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)部分：初始化設(shè)備模塊、設(shè)備打開模塊、數(shù)據(jù)讀寫和控制模塊、中斷處理模塊、設(shè)備釋放模塊、設(shè)備卸載模塊。下面給出一個(gè)典型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架，從中不難體會(huì)到這幾個(gè)關(guān)鍵模塊是如何組織起來的。

/* 指明該驅(qū)動(dòng)程序適用于哪一些PCI設(shè)備 */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,}};/* 對(duì)特定PCI設(shè)備進(jìn)行描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */struct demo_card { unsigned int magic; /* 使用鏈表保存所有同類的PCI設(shè)備 */ struct demo_card *next; /* ... */}/* 中斷處理模塊 */static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs){ /* ... */}/* 設(shè)備文件操作接口 */static struct file_operations demo_fops = { owner: THIS_MODULE, /* demo_fops所屬的設(shè)備模塊 */ read: demo_read, /* 讀設(shè)備操作*/ write: demo_write, /* 寫設(shè)備操作*/ ioctl: demo_ioctl, /* 控制設(shè)備操作*/ mmap: demo_mmap, /* 內(nèi)存重映射操作*/ open: demo_open, /* 打開設(shè)備操作*/ release: demo_release /* 釋放設(shè)備操作*/ /* ... */};/* 設(shè)備模塊信息 */static struct pci_driver demo_pci_driver = { name: demo_MODULE_NAME, /* 設(shè)備模塊名稱 */ id_table: demo_pci_tbl, /* 能夠驅(qū)動(dòng)的設(shè)備列表 */ probe: demo_probe, /* 查找并初始化設(shè)備 */ remove: demo_remove /* 卸載設(shè)備模塊 */ /* ... */};static int __init demo_init_module (void){ /* ... */}static void __exit demo_cleanup_module (void){ pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);}/* 加載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */module_init(demo_init_module);/* 卸載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */module_exit(demo_cleanup_module);

上面這段代碼給出了一個(gè)典型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架，是一種相對(duì)固定的模式。需要注意的是，同加載和卸載模塊相關(guān)的函數(shù)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都要在前面加上__init、__exit等標(biāo)志符，以使同普通函數(shù)區(qū)分開來。構(gòu)造出這樣一個(gè)框架之后，接下去的工作就是如何完成框架內(nèi)的各個(gè)功能模塊了。

3. 初始化設(shè)備模塊

在Linux系統(tǒng)下，想要完成對(duì)一個(gè)PCI設(shè)備的初始化，需要完成以下工作：

檢查PCI總線是否被Linux內(nèi)核支持；

檢查設(shè)備是否插在總線插槽上，如果在的話則保存它所占用的插槽的位置等信息。

讀出配置頭中的信息提供給驅(qū)動(dòng)程序使用。

當(dāng)Linux內(nèi)核啟動(dòng)并完成對(duì)所有PCI設(shè)備進(jìn)行掃描、登錄和分配資源等初始化操作的同時(shí)，會(huì)建立起系統(tǒng)中所有PCI設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此后當(dāng)PCI驅(qū)動(dòng)程序需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化時(shí)，一般都會(huì)調(diào)用如下的代碼：

static int __init demo_init_module (void){ /* 檢查系統(tǒng)是否支持PCI總線 */ if (!pci_present()) return -ENODEV; /* 注冊(cè)硬件驅(qū)動(dòng)程序 */ if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)) { pci_unregister_driver(&demo_pci_driver); return -ENODEV; } /* ... */ return 0;}

驅(qū)動(dòng)程序首先調(diào)用函數(shù)pci_present( )檢查PCI總線是否已經(jīng)被Linux內(nèi)核支持，如果系統(tǒng)支持PCI總線結(jié)構(gòu)，這個(gè)函數(shù)的返回值為0，如果驅(qū)動(dòng)程序在調(diào)用這個(gè)函數(shù)時(shí)得到了一個(gè)非0的返回值，那么驅(qū)動(dòng)程序就必須得中止自己的任務(wù)了。在2.4以前的內(nèi)核中，需要手工調(diào)用pci_find_device( )函數(shù)來查找PCI設(shè)備，但在2.4以后更好的辦法是調(diào)用pci_register_driver( )函數(shù)來注冊(cè)PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，此時(shí)需要提供一個(gè)pci_driver結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中給出的probe探測(cè)例程將負(fù)責(zé)完成對(duì)硬件的檢測(cè)工作。

static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct pci_device_id *pci_id){ struct demo_card *card; /* 啟動(dòng)PCI設(shè)備 */ if (pci_enable_device(pci_dev)) return -EIO; /* 設(shè)備DMA標(biāo)識(shí) */ if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) { return -ENODEV; } /* 在內(nèi)核空間中動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)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)); /* 讀取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; /* 設(shè)置成總線主DMA模式 */ pci_set_master(pci_dev); /* 申請(qǐng)I/O資源 */ request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data]); return 0;}

4. 打開設(shè)備模塊

在這個(gè)模塊里主要實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)中斷、檢查讀寫模式以及申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán)等。在申請(qǐng)控制權(quán)的時(shí)候，非阻塞方式遇忙返回，否則進(jìn)程主動(dòng)接受調(diào)度，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待其它進(jìn)程釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)。

static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file){ /* 申請(qǐng)中斷，注冊(cè)中斷處理程序 */ request_irq(card->irq, &demo_interrupt, SA_SHIRQ, card_names[pci_id->driver_data], card)) { /* 檢查讀寫模式 */ if(file->f_mode & FMODE_READ) { /* ... */ } if(file->f_mode & FMODE_WRITE) { /* ... */ } /* 申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán) */ 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 { /* 等待調(diào)度，獲得控制權(quán) */ card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE); up(&card->open_sem); /* 設(shè)備打開計(jì)數(shù)增1 */ MOD_INC_USE_COUNT; /* ... */ } }}

5. 數(shù)據(jù)讀寫和控制信息模塊

PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以通過demo_fops 結(jié)構(gòu)中的函數(shù)demo_ioctl( )，向應(yīng)用程序提供對(duì)硬件進(jìn)行控制的接口。例如，通過它可以從I/O寄存器里讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，并傳送到用戶空間里：

static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg){ /* ... */ switch(cmd) { case DEMO_RDATA: /* 從I/O端口讀取4字節(jié)的數(shù)據(jù) */ val = inl(card->iobae + 0x10); /* 將讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艨臻g */ return 0; } /* ... */}

事實(shí)上，在demo_fops里還可以實(shí)現(xiàn)諸如demo_read( )、demo_mmap( )等操作，Linux內(nèi)核源碼中的driver目錄里提供了許多設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的源代碼，找那里可以找到類似的例子。在對(duì)資源的訪問方式上，除了有I/O指令以外，還有對(duì)外設(shè)I/O內(nèi)存的訪問。對(duì)這些內(nèi)存的操作一方面可以通過把I/O內(nèi)存重新映射后作為普通內(nèi)存進(jìn)行操作，另一方面也可以通過總線主DMA（Bus Master DMA）的方式讓設(shè)備把數(shù)據(jù)通過DMA傳送到系統(tǒng)內(nèi)存中。

6. 中斷處理模塊

PC的中斷資源比較有限，只有0~15的中斷號(hào)，因此大部分外部設(shè)備都是以共享的形式申請(qǐng)中斷號(hào)的。當(dāng)中斷發(fā)生的時(shí)候，中斷處理程序首先負(fù)責(zé)對(duì)中斷進(jìn)行識(shí)別，然后再做進(jìn)一步的處理。

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); /* 識(shí)別中斷 */ status = inl(card->iobase + GLOB_STA); if(!(status & INT_MASK)) { spin_unlock(&card->lock); return; /* not for us */ } /* 告訴設(shè)備已經(jīng)收到中斷 */ outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA); spin_unlock(&card->lock); /* 其它進(jìn)一步的處理，如更新DMA緩沖區(qū)指針等 */}

7. 釋放設(shè)備模塊

釋放設(shè)備模塊主要負(fù)責(zé)釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)，釋放占用的內(nèi)存和中斷等，所做的事情正好與打開設(shè)備模塊相反：

static int demo_release(struct inode *inode, struct file *file){ /* ... */ /* 釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán) */ card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE); /* 喚醒其它等待獲取控制權(quán)的進(jìn)程 */ wake_up(&card->open_wait); up(&card->open_sem); /* 釋放中斷 */ free_irq(card->irq, card); /* 設(shè)備打開計(jì)數(shù)增1 */ MOD_DEC_USE_COUNT; /* ... */ }

8. 卸載設(shè)備模塊

卸載設(shè)備模塊與初始化設(shè)備模塊是相對(duì)應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)比較簡單，主要是調(diào)用函數(shù)pci_unregister_driver( )從Linux內(nèi)核中注銷設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：

static void __exit demo_cleanup_module (void){ pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);}

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四、小結(jié)

PCI總線不僅是目前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，而且是一種兼容性最強(qiáng)、功能最全的計(jì)算機(jī)總線。而Linux作為一種新的操作系統(tǒng)，其發(fā)展前景是無法估量的，同時(shí)也為PCI總線與各種新型設(shè)備互連成為可能。由于Linux源碼開放，因此給連接到PCI總線上的任何設(shè)備編寫驅(qū)動(dòng)程序變得相對(duì)容易。本文介紹如何編譯Linux下的PCI驅(qū)動(dòng)程序，針對(duì)的內(nèi)核版本是2.4。

PCI是一種廣泛采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，它提供了許多優(yōu)于其它總線標(biāo)準(zhǔn)（如EISA）的新特性，目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，并且最為通用的總線標(biāo)準(zhǔn)。Linux的內(nèi)核能較好地支持PCI總線，本文以Intel 386體系結(jié)構(gòu)為主，探討了在Linux下開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架。

一、PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

PCI是外圍設(shè)備互連（Peripheral Component Interconnect）的簡稱，作為一種通用的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，它在目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。PCI提供了一組完整的總線接口規(guī)范，其目的是描述如何將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備以一種結(jié)構(gòu)化和可控化的方式連接在一起，同時(shí)它還刻畫了外圍設(shè)備在連接時(shí)的電氣特性和行為規(guī)約，并且詳細(xì)定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)不同部件之間應(yīng)該如何正確地進(jìn)行交互。

無論是在基于Intel芯片的PC機(jī)中，或是在基于Alpha芯片的工作站上，PCI毫無疑問都是目前使用最廣泛的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。同舊式的ISA總線不同，PCI將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的總線子系統(tǒng)與存儲(chǔ)子系統(tǒng)完全地分開，CPU通過一塊稱為PCI橋（PCI-Bridge）的設(shè)備來完成同總線子系統(tǒng)的交互，如圖1所示。

圖1 PCI子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

由于使用了更高的時(shí)鐘頻率，因此PCI總線能夠獲得比ISA總線更好的整體性能。PCI總線的時(shí)鐘頻率一般在25MHz到33MHz范圍內(nèi)，有些甚至能夠達(dá)到66MHz或者133MHz，而在64位系統(tǒng)中則最高能達(dá)到266MHz。盡管目前PCI設(shè)備大多采用32位數(shù)據(jù)總線，但PCI規(guī)范中已經(jīng)給出了64位的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，從而使PCI總線能夠更好地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無關(guān)性，現(xiàn)在PCI總線已經(jīng)能夠用于IA-32、Alpha、PowerPC、SPARC64和IA-64等體系結(jié)構(gòu)中。

PCI總線具有三個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，使得它能夠完成最終取代ISA總線這一歷史使命：

在計(jì)算機(jī)和外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)具有更好的性能；

能夠盡量獨(dú)立于具體的平臺(tái)；

可以很方便地實(shí)現(xiàn)即插即用。

圖2是一個(gè)典型的基于PCI總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)邏輯示意圖，系統(tǒng)的各個(gè)部分通過PCI總線和PCI-PCI橋連接在一起。從圖中不難看出，CPU和RAM需要通過PCI橋連接到PCI總線0（即主PCI總線），而具有PCI接口的顯卡則可以直接連接到主PCI總線上。PCI-PCI橋是一個(gè)特殊的PCI設(shè)備，它負(fù)責(zé)將PCI總線0和PCI總線1（即從PCI主線）連接在一起，通常PCI總線1稱為PCI-PCI橋的下游（downstream），而PCI總線0則稱為PCI-PCI橋的上游（upstream）。圖中連接到從PCI總線上的是SCSI卡和以太網(wǎng)卡。為了兼容舊的ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線還可以通過PCI-ISA橋來連接ISA總線，從而能夠支持以前的ISA設(shè)備。圖中ISA總線上連接著一個(gè)多功能I/O控制器，用于控制鍵盤、鼠標(biāo)和軟驅(qū)。

圖2 PCI系統(tǒng)示意圖

在此我只對(duì)PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)作了概括性介紹，如果讀者想進(jìn)一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel（http://tldp.org/LDP/tlk/dd/pci.html）中對(duì)Linux的PCI子系統(tǒng)有比較詳細(xì)的介紹。

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二、Linux驅(qū)動(dòng)程序框架

Linux將所有外部設(shè)備看成是一類特殊文件，稱之為“設(shè)備文件”，如果說系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，那么設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則可以看成是Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件在實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備。

1. 字符設(shè)備和塊設(shè)備

Linux抽象了對(duì)硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以像普通文件一樣來看待：它們可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個(gè)特殊的設(shè)備文件來表示，例如，系統(tǒng)中的第一個(gè)IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個(gè)設(shè)備文件對(duì)應(yīng)有兩個(gè)設(shè)備號(hào)：一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)該設(shè)備的種類，也標(biāo)識(shí)了該設(shè)備所使用的驅(qū)動(dòng)程序；另一個(gè)是次設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登錄該設(shè)備時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無法訪問到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件：一類是字符設(shè)備，另一類則是塊設(shè)備。字符設(shè)備是以字節(jié)為單位逐個(gè)進(jìn)行I/O操作的設(shè)備，在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來說字符設(shè)備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機(jī)訪問。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫請(qǐng)求時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序先查看緩沖區(qū)中的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求就返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應(yīng)的請(qǐng)求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，其目的是避免耗費(fèi)過多的CPU時(shí)間來等待操作的完成。一般說來，PCI卡通常都屬于字符設(shè)備。

所有已經(jīng)注冊(cè)（即已經(jīng)加載了驅(qū)動(dòng)程序）的硬件設(shè)備的主設(shè)備號(hào)可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設(shè)備文件，同時(shí)為其分配相應(yīng)的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。例如，下面的命令：

[root@gary root]# mknod /dev/lp0 c 6 0

將建立一個(gè)主設(shè)備號(hào)為6，次設(shè)備號(hào)為0的字符設(shè)備文件/dev/lp0。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)δ硞€(gè)設(shè)備文件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，Linux內(nèi)核會(huì)根據(jù)該設(shè)備文件的設(shè)備類型和主設(shè)備號(hào)調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并從用戶態(tài)進(jìn)入到核心態(tài)，再由驅(qū)動(dòng)程序判斷該設(shè)備的次設(shè)備號(hào)，最終完成對(duì)相應(yīng)硬件的操作。

2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口

Linux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的：

struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);};

當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時(shí)，內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的read函數(shù)。

2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊

Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式進(jìn)行編譯，一種是直接靜態(tài)編譯成內(nèi)核的一部分，另一種則是編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊。如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)地卸載，不利于調(diào)試，所有推薦使用模塊方式。

從本質(zhì)上來講，模塊也是內(nèi)核的一部分，它不同于普通的應(yīng)用程序，不能調(diào)用位于用戶態(tài)下的C或者C++庫函數(shù)，而只能調(diào)用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)，在/proc/ksyms中可以查看到內(nèi)核提供的所有函數(shù)。

在以模塊方式編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)必不可少的函數(shù)init_module( )和cleanup_module( )，而且至少要包含和兩個(gè)頭文件。在用gcc編譯內(nèi)核模塊時(shí)，需要加上-DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX這幾個(gè)參數(shù)，編譯生成的模塊（一般為.o文件）可以使用命令insmod載入Linux內(nèi)核，從而成為內(nèi)核的一個(gè)組成部分，此時(shí)內(nèi)核會(huì)調(diào)用模塊中的函數(shù)init_module( )。當(dāng)不需要該模塊時(shí)，可以使用rmmod命令進(jìn)行卸載，此進(jìn)內(nèi)核會(huì)調(diào)用模塊中的函數(shù)cleanup_module( )。任何時(shí)候都可以使用命令來lsmod查看目前已經(jīng)加載的模塊以及正在使用該模塊的用戶數(shù)。

3. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

了解設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)（或者稱為框架），對(duì)開發(fā)人員而言是非常重要的，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序大致可以分為如下幾個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷、設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理。

釋放設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release( )來完成的，這個(gè)設(shè)備方法有時(shí)也被稱為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作：

驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷

向系統(tǒng)增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序意味著要賦予它一個(gè)主設(shè)備號(hào)，這可以通過在驅(qū)動(dòng)程序的初始化過程中調(diào)用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來完成。而在關(guān)閉字符設(shè)備或者塊設(shè)備時(shí)，則需要通過調(diào)用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內(nèi)核中注銷設(shè)備，同時(shí)釋放占用的主設(shè)備號(hào)。

設(shè)備的打開與釋放

打開設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open( )來完成的，它是驅(qū)動(dòng)程序用來為今后的操作完成初始化準(zhǔn)備工作的。在大部分驅(qū)動(dòng)程序中，open( )通常需要完成下列工作：

檢查設(shè)備相關(guān)錯(cuò)誤，如設(shè)備尚未準(zhǔn)備好等。

如果是第一次打開，則初始化硬件設(shè)備。

識(shí)別次設(shè)備號(hào)，如果有必要?jiǎng)t更新讀寫操作的當(dāng)前位置指針f_ops。

分配和填寫要放在file->private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

使用計(jì)數(shù)增1。

使用計(jì)數(shù)減1。

釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。

如果使用計(jì)算為0，則關(guān)閉設(shè)備。

設(shè)備的讀寫操作

字符設(shè)備的讀寫操作相對(duì)比較簡單，直接使用函數(shù)read( )和write( )就可以了。但如果是塊設(shè)備的話，則需要調(diào)用函數(shù)block_read( )和block_write( )來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個(gè)函數(shù)將向設(shè)備請(qǐng)求表中增加讀寫請(qǐng)求，以便Linux內(nèi)核可以對(duì)請(qǐng)求順序進(jìn)行優(yōu)化。由于是對(duì)內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內(nèi)存緩沖區(qū)中沒有所要讀入的數(shù)據(jù)，或者需要執(zhí)行寫操作將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備，那么就要執(zhí)行真正的數(shù)據(jù)傳輸，這是通過調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blk_dev_struct中的函數(shù)request_fn( )來完成的。

設(shè)備的控制操作

除了讀寫操作外，應(yīng)用程序有時(shí)還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，這可以通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)ioctl( )來完成。ioctl( )的用法與具體設(shè)備密切關(guān)聯(lián)，因此需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

設(shè)備的中斷和輪詢處理

對(duì)于不支持中斷的硬件設(shè)備，讀寫時(shí)需要輪流查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)，以便決定是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果設(shè)備支持中斷，則可以按中斷方式進(jìn)行操作。

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三、PCI驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

1. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

PCI設(shè)備上有三種地址空間：PCI的I/O空間、PCI的存儲(chǔ)空間和PCI的配置空間。CPU可以訪問PCI設(shè)備上的所有地址空間，其中I/O空間和存儲(chǔ)空間提供給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用，而配置空間則由Linux內(nèi)核中的PCI初始化代碼使用。內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)所有PCI設(shè)備進(jìn)行初始化，配置好所有的PCI設(shè)備，包括中斷號(hào)以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI設(shè)備，以及這些設(shè)備的參數(shù)和屬性。

Linux驅(qū)動(dòng)程序通常使用結(jié)構(gòu)（struct）來表示一種設(shè)備，而結(jié)構(gòu)體中的變量則代表某一具體設(shè)備，該變量存放了與該設(shè)備相關(guān)的所有信息。好的驅(qū)動(dòng)程序都應(yīng)該能驅(qū)動(dòng)多個(gè)同種設(shè)備，每個(gè)設(shè)備之間用次設(shè)備號(hào)進(jìn)行區(qū)分，如果采用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來代表所有能由該驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，那么就可以簡單地使用數(shù)組下標(biāo)來表示次設(shè)備號(hào)。

在PCI驅(qū)動(dòng)程序中，下面幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)起著非常核心的作用：

pci_driver

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在文件include/linux/pci.h里，這是Linux內(nèi)核版本2.4之后為新型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所添加的，其中最主要的是用于識(shí)別設(shè)備的id_table結(jié)構(gòu)，以及用于檢測(cè)設(shè)備的函數(shù)probe( )和卸載設(shè)備的函數(shù)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

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也在文件include/linux/pci.h里，它詳細(xì)描述了一個(gè)PCI設(shè)備幾乎所有的硬件信息，包括廠商ID、設(shè)備ID、各種資源等：

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

在用模塊方式實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，通常至少要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)部分：初始化設(shè)備模塊、設(shè)備打開模塊、數(shù)據(jù)讀寫和控制模塊、中斷處理模塊、設(shè)備釋放模塊、設(shè)備卸載模塊。下面給出一個(gè)典型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架，從中不難體會(huì)到這幾個(gè)關(guān)鍵模塊是如何組織起來的。

/* 指明該驅(qū)動(dòng)程序適用于哪一些PCI設(shè)備 */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,}};/* 對(duì)特定PCI設(shè)備進(jìn)行描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */struct demo_card { unsigned int magic; /* 使用鏈表保存所有同類的PCI設(shè)備 */ struct demo_card *next; /* ... */}/* 中斷處理模塊 */static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs){ /* ... */}/* 設(shè)備文件操作接口 */static struct file_operations demo_fops = { owner: THIS_MODULE, /* demo_fops所屬的設(shè)備模塊 */ read: demo_read, /* 讀設(shè)備操作*/ write: demo_write, /* 寫設(shè)備操作*/ ioctl: demo_ioctl, /* 控制設(shè)備操作*/ mmap: demo_mmap, /* 內(nèi)存重映射操作*/ open: demo_open, /* 打開設(shè)備操作*/ release: demo_release /* 釋放設(shè)備操作*/ /* ... */};/* 設(shè)備模塊信息 */static struct pci_driver demo_pci_driver = { name: demo_MODULE_NAME, /* 設(shè)備模塊名稱 */ id_table: demo_pci_tbl, /* 能夠驅(qū)動(dòng)的設(shè)備列表 */ probe: demo_probe, /* 查找并初始化設(shè)備 */ remove: demo_remove /* 卸載設(shè)備模塊 */ /* ... */};static int __init demo_init_module (void){ /* ... */}static void __exit demo_cleanup_module (void){ pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);}/* 加載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */module_init(demo_init_module);/* 卸載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */module_exit(demo_cleanup_module);

上面這段代碼給出了一個(gè)典型的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架，是一種相對(duì)固定的模式。需要注意的是，同加載和卸載模塊相關(guān)的函數(shù)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都要在前面加上__init、__exit等標(biāo)志符，以使同普通函數(shù)區(qū)分開來。構(gòu)造出這樣一個(gè)框架之后，接下去的工作就是如何完成框架內(nèi)的各個(gè)功能模塊了。

3. 初始化設(shè)備模塊

在Linux系統(tǒng)下，想要完成對(duì)一個(gè)PCI設(shè)備的初始化，需要完成以下工作：

檢查PCI總線是否被Linux內(nèi)核支持；

檢查設(shè)備是否插在總線插槽上，如果在的話則保存它所占用的插槽的位置等信息。

讀出配置頭中的信息提供給驅(qū)動(dòng)程序使用。

當(dāng)Linux內(nèi)核啟動(dòng)并完成對(duì)所有PCI設(shè)備進(jìn)行掃描、登錄和分配資源等初始化操作的同時(shí)，會(huì)建立起系統(tǒng)中所有PCI設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此后當(dāng)PCI驅(qū)動(dòng)程序需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化時(shí)，一般都會(huì)調(diào)用如下的代碼：

static int __init demo_init_module (void){ /* 檢查系統(tǒng)是否支持PCI總線 */ if (!pci_present()) return -ENODEV; /* 注冊(cè)硬件驅(qū)動(dòng)程序 */ if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)) { pci_unregister_driver(&demo_pci_driver); return -ENODEV; } /* ... */ return 0;}

驅(qū)動(dòng)程序首先調(diào)用函數(shù)pci_present( )檢查PCI總線是否已經(jīng)被Linux內(nèi)核支持，如果系統(tǒng)支持PCI總線結(jié)構(gòu)，這個(gè)函數(shù)的返回值為0，如果驅(qū)動(dòng)程序在調(diào)用這個(gè)函數(shù)時(shí)得到了一個(gè)非0的返回值，那么驅(qū)動(dòng)程序就必須得中止自己的任務(wù)了。在2.4以前的內(nèi)核中，需要手工調(diào)用pci_find_device( )函數(shù)來查找PCI設(shè)備，但在2.4以后更好的辦法是調(diào)用pci_register_driver( )函數(shù)來注冊(cè)PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，此時(shí)需要提供一個(gè)pci_driver結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中給出的probe探測(cè)例程將負(fù)責(zé)完成對(duì)硬件的檢測(cè)工作。

static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct pci_device_id *pci_id){ struct demo_card *card; /* 啟動(dòng)PCI設(shè)備 */ if (pci_enable_device(pci_dev)) return -EIO; /* 設(shè)備DMA標(biāo)識(shí) */ if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) { return -ENODEV; } /* 在內(nèi)核空間中動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)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)); /* 讀取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; /* 設(shè)置成總線主DMA模式 */ pci_set_master(pci_dev); /* 申請(qǐng)I/O資源 */ request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data]); return 0;}

4. 打開設(shè)備模塊

在這個(gè)模塊里主要實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)中斷、檢查讀寫模式以及申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán)等。在申請(qǐng)控制權(quán)的時(shí)候，非阻塞方式遇忙返回，否則進(jìn)程主動(dòng)接受調(diào)度，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待其它進(jìn)程釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)。

static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file){ /* 申請(qǐng)中斷，注冊(cè)中斷處理程序 */ request_irq(card->irq, &demo_interrupt, SA_SHIRQ, card_names[pci_id->driver_data], card)) { /* 檢查讀寫模式 */ if(file->f_mode & FMODE_READ) { /* ... */ } if(file->f_mode & FMODE_WRITE) { /* ... */ } /* 申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán) */ 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 { /* 等待調(diào)度，獲得控制權(quán) */ card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE); up(&card->open_sem); /* 設(shè)備打開計(jì)數(shù)增1 */ MOD_INC_USE_COUNT; /* ... */ } }}

5. 數(shù)據(jù)讀寫和控制信息模塊

PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以通過demo_fops 結(jié)構(gòu)中的函數(shù)demo_ioctl( )，向應(yīng)用程序提供對(duì)硬件進(jìn)行控制的接口。例如，通過它可以從I/O寄存器里讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，并傳送到用戶空間里：

static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg){ /* ... */ switch(cmd) { case DEMO_RDATA: /* 從I/O端口讀取4字節(jié)的數(shù)據(jù) */ val = inl(card->iobae + 0x10); /* 將讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艨臻g */ return 0; } /* ... */}

事實(shí)上，在demo_fops里還可以實(shí)現(xiàn)諸如demo_read( )、demo_mmap( )等操作，Linux內(nèi)核源碼中的driver目錄里提供了許多設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的源代碼，找那里可以找到類似的例子。在對(duì)資源的訪問方式上，除了有I/O指令以外，還有對(duì)外設(shè)I/O內(nèi)存的訪問。對(duì)這些內(nèi)存的操作一方面可以通過把I/O內(nèi)存重新映射后作為普通內(nèi)存進(jìn)行操作，另一方面也可以通過總線主DMA（Bus Master DMA）的方式讓設(shè)備把數(shù)據(jù)通過DMA傳送到系統(tǒng)內(nèi)存中。

6. 中斷處理模塊

PC的中斷資源比較有限，只有0~15的中斷號(hào)，因此大部分外部設(shè)備都是以共享的形式申請(qǐng)中斷號(hào)的。當(dāng)中斷發(fā)生的時(shí)候，中斷處理程序首先負(fù)責(zé)對(duì)中斷進(jìn)行識(shí)別，然后再做進(jìn)一步的處理。

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); /* 識(shí)別中斷 */ status = inl(card->iobase + GLOB_STA); if(!(status & INT_MASK)) { spin_unlock(&card->lock); return; /* not for us */ } /* 告訴設(shè)備已經(jīng)收到中斷 */ outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA); spin_unlock(&card->lock); /* 其它進(jìn)一步的處理，如更新DMA緩沖區(qū)指針等 */}

7. 釋放設(shè)備模塊

釋放設(shè)備模塊主要負(fù)責(zé)釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán)，釋放占用的內(nèi)存和中斷等，所做的事情正好與打開設(shè)備模塊相反：

static int demo_release(struct inode *inode, struct file *file){ /* ... */ /* 釋放對(duì)設(shè)備的控制權(quán) */ card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE); /* 喚醒其它等待獲取控制權(quán)的進(jìn)程 */ wake_up(&card->open_wait); up(&card->open_sem); /* 釋放中斷 */ free_irq(card->irq, card); /* 設(shè)備打開計(jì)數(shù)增1 */ MOD_DEC_USE_COUNT; /* ... */ }

8. 卸載設(shè)備模塊

卸載設(shè)備模塊與初始化設(shè)備模塊是相對(duì)應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)比較簡單，主要是調(diào)用函數(shù)pci_unregister_driver( )從Linux內(nèi)核中注銷設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：

static void __exit demo_cleanup_module (void){ pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);}

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四、小結(jié)

PCI總線不僅是目前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，而且是一種兼容性最強(qiáng)、功能最全的計(jì)算機(jī)總線。而Linux作為一種新的操作系統(tǒng)，其發(fā)展前景是無法估量的，同時(shí)也為PCI總線與各種新型設(shè)備互連成為可能。由于Linux源碼開放，因此給連接到PCI總線上的任何設(shè)備編寫驅(qū)動(dòng)程序變得相對(duì)容易。本文介紹如何編譯Linux下的PCI驅(qū)動(dòng)程序，針對(duì)的內(nèi)核版本是2.4。

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