Linux操作系统下的PCI驱动开发（1） 操作系统, Linux, 开发, 程序, 如何

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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。