PCI总线驱动开发全解析

深入理解 PCI 总线与驱动：从理论到实践

1. 什么是 PCI 总线？

PCI 是一种高性能的、地址和数据复用的、即插即用的局部总线标准。它被设计用来连接计算机主板上的CPU、内存与各种外设扩展卡。

1.1 PCI 总线的主要特点

• 即插即用：系统启动时自动配置 PCI 设备，分配资源（如内存地址、中断号），无需用户手动设置跳线。
• 高带宽：32位/64位数据宽度，时钟频率通常为33MHz或66MHz。
• 独立于处理器：不依赖于特定型号的 CPU。
• 地址/数据复用：同一组信号线先传输地址，后传输数据，节省引脚。
• 总线枚举：系统可以通过遍历总线来发现所有连接的设备。

2. PCI 设备识别与配置空间

每个 PCI 设备都有一个唯一的标识符，并通过一个称为 配置空间 的寄存器组来进行管理和通信。

2.1 设备识别

一个 PCI 设备由三个关键标识符唯一确定：

• Vendor ID： 16位，由 PCI SIG 分配给设备制造商。
• Device ID： 16位，由制造商分配给特定设备。
• Class Code： 24位，表示设备的类别（如网络控制器、显示控制器等）。

2.2 配置空间

这是一个256字节的标准化结构，包含了设备的所有关键信息。前64字节是标准化的头部，其余为设备相关的配置寄存器。

重要寄存器包括：

• Vendor ID / Device ID： 设备标识。
• BAR： 最多6个 基地址寄存器，用于告知系统该设备需要多少内存或I/O空间，以及系统为其分配的实际基地址。这是驱动与设备通信的基石。
• Interrupt Line： 系统分配给设备使用的中断号。
• Interrupt Pin： 设备使用哪个硬件中断引脚（A, B, C, D）。

当系统启动时，BIOS或操作系统会遍历PCI总线，读取每个设备的配置空间，为其分配资源，并填充BAR寄存器。

3. Linux 内核中的 PCI 驱动框架

在 Linux 中，编写一个 PCI 驱动主要涉及以下步骤：

1. 定义 PCI 设备ID表： 告诉内核这个驱动支持哪些设备。
2. 注册驱动： 向内核注册一个 pci_driver 结构体。
3. 实现 Probe 函数： 当内核发现一个设备与驱动匹配时，会调用此函数。在这里进行设备初始化。
4. 实现 Remove 函数： 当设备被移除或驱动卸载时调用，进行资源清理。
5. 设备操作： 在 probe 中，通常会：
   • 启用 PCI 设备。
   • 获取 BAR 映射的地址。
   • 申请中断请求线。
   • 创建设备节点（如 /dev/xxx）以供用户空间访问。

4. 代码示例：一个简单的 PCI 驱动骨架

下面是一个最简单的 PCI 驱动代码，它不实现任何具体功能，但完整展示了驱动的基本结构。

// simple_pci_driver.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/pci.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>// 1. 定义该驱动支持的设备ID表
static const struct pci_device_id my_pci_ids[] = {{ PCI_DEVICE(0x1234, 0x1111) }, // 假设支持 Vendor ID 0x1234, Device ID 0x1111 的设备{ 0, } // 必须以全0条目结束
};
MODULE_DEVICE_TABLE(pci, my_pci_ids);// 设备私有数据结构（可选）
struct my_device_priv {void __iomem *bar0; // 用于映射BAR0的虚拟地址int irq_line;       // 中断号
};// 3. Probe 函数：设备被发现并匹配时调用
static int my_pci_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *id)
{int ret;struct my_device_priv *priv;printk(KERN_INFO "My PCI Driver: Device found! Probing...\n");// 3.1 启用PCI设备ret = pci_enable_device(pdev);if (ret) {dev_err(&pdev->dev, "Failed to enable PCI device\n");return ret;}// 3.2 为设备申请DMA掩码（如果设备支持DMA）ret = pci_set_dma_mask(pdev, DMA_BIT_MASK(32));if (ret) {dev_err(&pdev->dev, "No suitable DMA available\n");goto err_disable_device;}// 3.3 分配设备私有数据priv = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*priv), GFP_KERNEL);if (!priv) {ret = -ENOMEM;goto err_disable_device;}pci_set_drvdata(pdev, priv); // 将私有数据与pci_dev关联// 3.4 获取并映射BAR0（假设是内存区域）priv->bar0 = pci_iomap(pdev, 0, 0); // 映射BAR0的全部长度if (!priv->bar0) {dev_err(&pdev->dev, "Cannot map BAR0\n");ret = -ENOMEM;goto err_disable_device;}printk(KERN_INFO "My PCI Driver: BAR0 mapped at virtual address %p\n", priv->bar0);// 3.5 申请中断ret = pci_alloc_irq_vectors(pdev, 1, 1, PCI_IRQ_ALL_TYPES);if (ret < 0) {dev_err(&pdev->dev, "Failed to allocate IRQ vectors\n");goto err_iounmap;}priv->irq_line = pci_irq_vector(pdev, 0);ret = devm_request_irq(&pdev->dev, priv->irq_line, my_interrupt_handler,IRQF_SHARED, "my_pci_driver", pdev);if (ret) {dev_err(&pdev->dev, "Failed to request IRQ %d\n", priv->irq_line);goto err_free_irq_vectors;}printk(KERN_INFO "My PCI Driver: IRQ %d requested successfully\n", priv->irq_line);// 到这里，设备基本初始化完成// 可以继续：初始化硬件、创建字符设备、sysfs节点等...printk(KERN_INFO "My PCI Driver: Probe successful\n");return 0;// 错误处理：按申请资源的逆序释放资源
err_free_irq_vectors:pci_free_irq_vectors(pdev);
err_iounmap:pci_iounmap(pdev, priv->bar0);
err_disable_device:pci_disable_device(pdev);return ret;
}// 4. Remove 函数：设备移除或驱动卸载时调用
static void my_pci_remove(struct pci_dev *pdev)
{struct my_device_priv *priv = pci_get_drvdata(pdev);printk(KERN_INFO "My PCI Driver: Removing device\n");// 释放资源，顺序与probe相反free_irq(priv->irq_line, pdev);pci_free_irq_vectors(pdev);pci_iounmap(pdev, priv->bar0);pci_disable_device(pdev);
}// 简单的中断处理函数
static irqreturn_t my_interrupt_handler(int irq, void *dev_id)
{struct pci_dev *pdev = dev_id;printk(KERN_DEBUG "My PCI Driver: Interrupt occurred!\n");// 读取设备状态寄存器，确认中断，处理数据...return IRQ_HANDLED;
}// 2. 定义 pci_driver 结构体
static struct pci_driver my_pci_driver = {.name = "my_simple_pci_driver",.id_table = my_pci_ids,   // 设备ID表.probe = my_pci_probe,    // 探测函数.remove = my_pci_remove,  // 移除函数
};// 模块加载和卸载
module_pci_driver(my_pci_driver); // 这个宏简化了注册和注销操作MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple example PCI driver");

代码关键点解释：

1. pci_device_id： 定义了驱动支持的设备列表。PCI_DEVICE 宏用于创建一个 pci_device_id 条目。
2. pci_driver： 这是驱动的核心结构，向内核注册了驱动名称、ID表、probe和remove函数。
3. my_pci_probe：
   • pci_enable_device： 启用设备，使其可以响应PCI访问。
   • pci_iomap： 将设备的物理BAR地址映射到内核的虚拟地址空间，这样驱动就可以通过指针（如 priv->bar0）直接读写设备寄存器。
   • pci_alloc_irq_vectors 和 devm_request_irq： 申请中断向量并注册中断处理函数。
   • pci_set_drvdata： 将自定义的私有数据结构 my_device_priv 与 pci_dev 关联，方便在其他函数中获取。
4. my_pci_remove： 负责清理所有在 probe 中分配的资源，防止内存泄漏。
5. my_interrupt_handler： 当设备触发中断时，内核会调用此函数。

5. 编译与测试

1. 编译： 需要一个合适的内核 Makefile。

   obj-m += simple_pci_driver.oKDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/buildall:make -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean
   

   使用 make 命令编译。

2. 查看PCI设备： 在加载驱动前，可以使用 lspci -v 或 lspci -xxx 命令查看系统中的PCI设备和它们的配置空间。

3. 加载驱动： 使用 sudo insmod simple_pci_driver.ko 加载模块。使用 dmesg 查看内核日志，应该能看到 “Probe successful” 等信息。

4. 卸载驱动： 使用 sudo rmmod simple_pci_driver 卸载模块。

总结

理解 PCI 驱动关键在于理解 总线枚举、配置空间 和 资源分配 的概念。Linux 内核提供了完善的 PCI 核心层（drivers/pci/），驱动开发者只需遵循固定的框架：

1. 用ID表声明支持的设备。
2. 在 probe 中启用设备、映射资源、注册中断。
3. 在 remove 中妥善清理。

这个骨架代码是理解更复杂PCI驱动（如网卡、显卡驱动）的起点。在实际开发中，你还需要在 probe 之后实现具体的设备功能，例如实现 file_operations 来提供用户空间接口。