PCI 驱动
?二、 Linux驅動 程序框架
Linux將所有外部設備看成是一類特殊文件，稱之為“設備文件”，如果說系統調用是 Linux內核 和應用程序之間的接口，那么設備驅動程序則可以看成是Linux內核與外部設備之間的接口。設備驅動程序向應用程序屏蔽了硬件在實現上的細節，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設備。
1. 字符設備和塊設備
Linux抽象了對硬件的處理，所有的硬件設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、標準的系統調用接口來完成打開、關閉、讀寫和I/O控制操作，而驅動程序的主要任務也就是要實現這些系統調用函數。 Linux系統 中的所有硬件設備都使用一個特殊的設備文件來表示，例如，系統中的第一個IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個設備文件對應有兩個設備號：一個是主設備號，標識該設備的種類，也標識了該設備所使用的驅動程序；另一個是次設備號，標識使用同一設備驅動程序的不同硬件設備。設備文件的主設備號必須與設備驅動程序在登錄該設備時申請的主設備號一致，否則用戶 進程 將 無法訪問 到設備驅動程序。
在Linux操作系統下有兩類主要的設備文件：一類是字符設備，另一類則是塊設備。字符設備是以字節為單位逐個進行I/O操作的設備，在對字符設備發出讀寫請求時，實際的硬件I/O緊接著就發生了，一般來說字符設備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機訪問。塊設備則是利用一塊系統內存作為緩沖區，當用戶進程對設備進行讀寫請求時，驅動程序先查看緩沖區中的內容，如果緩沖區中的數據能滿足用戶的要求就返回相應的數據，否則就調用相應的請求函數來進行實際的I/O操作。塊設備主要是針對磁盤等慢速設備設計的，其目的是避免耗費過多的CPU時間來等待操作的完成。一般說來，PCI卡通常都屬于字符設備。
所有已經注冊（即已經加載了驅動程序）的硬件設備的主設備號可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創建指定類型的設備文件，同時為其分配相應的主設備號和次設備號。例如，下面的命令：
[root@gary root]# mknod /dev/lp0 c 6 0
將建立一個主設備號為6，次設備號為0的字符設備文件/dev/lp0。當應用程序對某個設備文件進行系統調用時，Linux內核會根據該設備文件的設備類型和主設備號調用相應的驅動程序，并從用戶態進入到核心態，再由驅動程序判斷該設備的次設備號，最終完成對相應硬件的操作。
2. 設備驅動程序接口
Linux中的I/O子系統向內核中的其他部分提供了一個統一的標準設備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數據結構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);
};
當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write等操作時，Linux內核將通過file_operations結構訪問驅動程序提供的函數。例如，當應用程序對設備文件執行讀操作時，內核將調用file_operations結構中的read函數。
2. 設備驅動程序模塊
Linux下的設備驅動程序可以按照兩種方式進行編譯，一種是直接靜態編譯成內核的一部分，另一種則是編譯成可以動態加載的模塊。如果編譯進內核的話，會增加內核的大小，還要改動內核的源文件，而且不能動態地卸載，不利于調試，所有推薦使用模塊方式。
從本質上來講，模塊也是內核的一部分，它不同于普通的應用程序，不能調用位于用戶態下的C或者 C++ 庫函數，而只能調用Linux內核提供的函數，在/proc/ksyms中可以查看到內核提供的所有函數。
在以模塊方式編寫驅動程序時，要實現兩個必不可少的函數init_module( )和cleanup_module( )，而且至少要包含和兩個頭文件。在用gcc編譯內核模塊時，需要加上-DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX這幾個參數，編譯生成的模塊（一般為.o文件）可以使用命令insmod載入Linux內核，從而成為內核的一個組成部分，此時內核會調用模塊中的函數init_module( )。當不需要該模塊時，可以使用rmmod命令進行卸載，此進內核會調用模塊中的函數cleanup_module( )。任何時候都可以使用命令來lsmod查看目前已經加載的模塊以及正在使用該模塊的用戶數。
3. 設備驅動程序結構
了解設備驅動程序的基本結構（或者稱為框架），對開發人員而言是非常重要的，Linux的設備驅動程序大致可以分為如下幾個部分：驅動程序的注冊與注銷、設備的打開與釋放、設備的讀寫操作、設備的控制操作、設備的中斷和輪詢處理。
驅動程序的注冊與注銷
向系統增加一個驅動程序意味著要賦予它一個主設備號，這可以通過在驅動程序的初始化過程中調用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來完成。而在關閉字符設備或者塊設備時，則需要通過調用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內核中注銷設備，同時釋放占用的主設備號。
設備的打開與釋放
打開設備是通過調用file_operations結構中的函數open( )來完成的，它是驅動程序用來為今后的操作完成初始化準備工作的。在大部分驅動程序中，open( )通常需要完成下列工作：
1.檢查設備相關錯誤，如設備尚未準備好等。
2.如果是第一次打開，則初始化硬件設備。
3.識別次設備號，如果有必要則更新讀寫操作的當前位置指針f_ops。
4.分配和填寫要放在file->private_data里的數據結構。
5.使用計數增1。
釋放設備是通過調用file_operations結構中的函數release( )來完成的，這個設備方法有時也被稱為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作：
1.使用計數減1。
2.釋放在file->private_data中分配的內存。
3.如果使用計算為0，則關閉設備。
設備的讀寫操作
字符設備的讀寫操作相對比較簡單，直接使用函數read( )和write( )就可以了。但如果是塊設備的話，則需要調用函數block_read( )和block_write( )來進行數據讀寫，這兩個函數將向設備請求表中增加讀寫請求，以便Linux內核可以對請求順序進行優化。由于是對內存緩沖區而不是直接對設備進行操作的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內存緩沖區中沒有所要讀入的數據，或者需要執行寫操作將數據寫入設備，那么就要執行真正的數據傳輸，這是通過調用數據結構blk_dev_struct中的函數request_fn( )來完成的。
設備的控制操作
除了讀寫操作外，應用程序有時還需要對設備進行控制，這可以通過設備驅動程序中的函數ioctl( )來完成。ioctl( )的用法與具體設備密切關聯，因此需要根據設備的實際情況進行具體分析。
設備的中斷和輪詢處理
對于不支持中斷的硬件設備，讀寫時需要輪流查詢設備狀態，以便決定是否繼續進行數據傳輸。如果設備支持中斷，則可以按中斷方式進行操作。
三、PCI驅動程序實現
1. 關鍵數據結構
PCI設備上有三種地址空間：PCI的I/O空間、PCI的存儲空間和PCI的 配置 空間。CPU可以訪問PCI設備上的所有地址空間，其中I/O空間和存儲空間提供給設備驅動程序使用，而配置空間則由Linux內核中的PCI初始化代碼使用。內核在啟動時負責對所有PCI設備進行初始化，配置好所有的 PCI設備，包括中斷號以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所有找到的PCI設備，以及這些設備的參數和屬性。
Linux驅動程序通常使用結構（struct）來表示一種設備，而結構體中的變量則代表某一具體設備，該變量存放了與該設備相關的所有信息。好的驅動程序都應該能驅動多個同種設備，每個設備之間用次設備號進行區分，如果采用結構數據來代表所有能由該驅動程序驅動的設備，那么就可以簡單地使用數組下標來表示次設備號。
在PCI驅動程序中，下面幾個關鍵數據結構起著非常核心的作用：
pci_driver
這個數據結構在文件include/linux/pci.h里，這是Linux內核版本2.4之后為新型的PCI設備驅動程序所添加的，其中最主要的是用于識別設備的id_table結構，以及用于檢測設備的函數probe( )和卸載設備的函數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
這個數據結構也在文件include/linux/pci.h里，它詳細描述了一個PCI設備幾乎所有的硬件信息，包括廠商ID、設備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
在用模塊方式實現PCI設備驅動程序時，通常至少要實現以下幾個部分：初始化設備模塊、設備打開模塊、數據讀寫和控制模塊、中斷處理模塊、設備釋放模塊、設備卸載模塊。下面給出一個典型的PCI設備驅動程序的基本框架，從中不難體會到這幾個關鍵模塊是如何組織起來的。
/* 指明該驅動程序適用于哪一些PCI設備 */
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,}
};
/* 對特定PCI設備進行描述的數據結構 */
struct demo_card {
unsigned int magic;
/* 使用鏈表保存所有同類的PCI設備 */
struct demo_card *next;
/* ... */
}
/* 中斷處理模塊 */
static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
/* ... */
}
/* 設備文件操作接口 */
static struct file_operations demo_fops = {
owner: THIS_MODULE, /* demo_fops所屬的設備模塊 */
read: demo_read, /* 讀設備操作*/
write: demo_write, /* 寫設備操作*/
ioctl: demo_ioctl, /* 控制設備操作*/
mmap: demo_mmap, /* 內存重映射操作*/
open: demo_open, /* 打開設備操作*/
release: demo_release /* 釋放設備操作*/
/* ... */
};
/* 設備模塊信息 */
static struct pci_driver demo_pci_driver = {
name: demo_MODULE_NAME, /* 設備模塊名稱 */
id_table: demo_pci_tbl, /* 能夠驅動的設備列表 */
probe: demo_probe, /* 查找并初始化設備 */
remove: demo_remove /* 卸載設備模塊 */
/* ... */
};
static int __init demo_init_module (void)
{
/* ... */
}
static void __exit demo_cleanup_module (void)
{
pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
}
/* 加載驅動程序模塊入口 */
module_init(demo_init_module);
/* 卸載驅動程序模塊入口 */
module_exit(demo_cleanup_module);
上面這段代碼給出了一個典型的PCI設備驅動程序的框架，是一種相對固定的模式。需要注意的是，同加載和卸載模塊相關的函數或數據結構都要在前面加上 __init、__exit等標志符，以使同普通函數區分開來。構造出這樣一個框架之后，接下去的工作就是如何完成框架內的各個功能模塊了。
3. 初始化設備模塊
在Linux系統下，想要完成對一個PCI設備的初始化，需要完成以下工作：
檢查PCI總線是否被Linux內核支持；
檢查設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動程序使用。
當Linux內核啟動并完成對所有PCI設備進行掃描、登錄和分配資源等初始化操作的同時，會建立起系統中所有PCI設備的拓撲結構，此后當PCI驅動程序需要對設備進行初始化時，一般都會調用如下的代碼：
static int __init demo_init_module (void)
{
/* 檢查系統是否支持PCI總線 */
if (!pci_present())
return -ENODEV;
/* 注冊硬件驅動程序 */
if (!pci_register_driver(&demo_pci_driver)) {
pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
return -ENODEV;
}
/* ... */
return 0;
}
驅動程序首先調用函數pci_present( )檢查PCI總線是否已經被Linux內核支持，如果系統支持PCI總線結構，這個函數的返回值為0，如果驅動程序在調用這個函數時得到了一個非0的返回值，那么驅動程序就必須得中止自己的任務了。在2.4以前的內核中，需要手工調用pci_find_device( )函數來查找PCI設備，但在2.4以后更好的辦法是調用pci_register_driver( )函數來注冊PCI設備的驅動程序，此時需要提供一個pci_driver結構，在該結構中給出的probe探測例程將負責完成對硬件的檢測工作。
static int __init demo_probe(struct pci_dev *pci_dev, const struct pci_device_id *pci_id)
{
struct demo_card *card;
/* 啟動PCI設備 */
if (pci_enable_device(pci_dev))
return -EIO;
/* 設備DMA標識 */
if (pci_set_dma_mask(pci_dev, DEMO_DMA_MASK)) {
return -ENODEV;
}
/* 在內核空間中動態申請內存 */
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;
/* 設置成總線主DMA模式 */
pci_set_master(pci_dev);
/* 申請I/O資源 */
request_region(card->iobase, 64, card_names[pci_id->driver_data]);
return 0;
}
4. 打開設備模塊
在這個模塊里主要實現申請中斷、檢查讀寫模式以及申請對設備的控制權等。在申請控制權的時候，非阻塞方式遇忙返回，否則進程主動接受調度，進入睡眠狀態，等待其它進程釋放對設備的控制權。
static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
/* 申請中斷，注冊中斷處理程序 */
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) {
/* ... */
}
/* 申請對設備的控制權 */
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 {
/* 等待調度，獲得控制權 */
card->open_mode |= f_mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE);
up(&card->open_sem);
/* 設備打開計數增1 */
MOD_INC_USE_COUNT;
/* ... */
}
}
}
5. 數據讀寫和控制信息模塊
PCI設備驅動程序可以通過demo_fops 結構中的函數demo_ioctl( )，向應用程序提供對硬件進行控制的接口。例如，通過它可以從I/O寄存器里讀取一個數據，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字節的數據 */
val = inl(card->iobae + 0x10);
/* 將讀取的數據傳輸到用戶空間 */
return 0;
}
/* ... */
}
事實上，在demo_fops里還可以實現諸如demo_read( )、demo_mmap( )等操作，Linux內核源碼中的driver目錄里提供了許多設備驅動程序的源代碼，找那里可以找到類似的例子。在對資源的訪問方式上，除了有I/O指令以外，還有對外設I/O內存的訪問。對這些內存的操作一方面可以通過把I/O內存重新映射后作為普通內存進行操作，另一方面也可以通過總線主DMA （Bus Master DMA）的方式讓設備把數據通過DMA傳送到系統內存中。
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，因此大部分外部設備都是以共享的形式申請中斷號的。當中斷發生的時候，中斷處理程序首先負責對中斷進行識別，然后再做進一步的處理。
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);
/* 識別中斷 */
status = inl(card->iobase + GLOB_STA);
if(!(status & INT_MASK))
{
spin_unlock(&card->lock);
return; /* not for us */
}
/* 告訴設備已經收到中斷 */
outl(status & INT_MASK, card->iobase + GLOB_STA);
spin_unlock(&card->lock);
/* 其它進一步的處理，如更新DMA緩沖區指針等 */
}
7. 釋放設備模塊
釋放設備模塊主要負責釋放對設備的控制權，釋放占用的內存和中斷等，所做的事情正好與打開設備模塊相反：
static int demo_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
/* ... */
/* 釋放對設備的控制權 */
card->open_mode &= (FMODE_READ | FMODE_WRITE);
/* 喚醒其它等待獲取控制權的進程 */
wake_up(&card->open_wait);
up(&card->open_sem);
/* 釋放中斷 */
free_irq(card->irq, card);
/* 設備打開計數增1 */
MOD_DEC_USE_COUNT;
/* ... */
}
8. 卸載設備模塊
卸載設備模塊與初始化設備模塊是相對應的，實現起來相對比較簡單，主要是調用函數pci_unregister_driver( )從Linux內核中注銷設備驅動程序：
static void __exit demo_cleanup_module (void)
{
pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);
}
<>四、小結
PCI總線不僅是目前應用廣泛的計算機總線標準，而且是一種兼容性最強、功能最全的計算機總線。而Linux作為一種新的操作系統，其發展前景是無法估量的，同時也為PCI總線與各種新型設備互連成為可能。由于Linux源碼開放，因此給連接到PCI總線上的任何設備編寫驅動程序變得相對容易。本文介紹如何編譯Linux下的PCI驅動程序，針對的內核版本是2.4。
第二章 PCI總線簡介
2．1?Linux?對PCI總線的支持
PC機發展至今，出現了許多的總線標準：PCI、?ISA、MCA、EISA、VLB、Sbus等都是當今PC市場上能找得到的總線標準。其中PCI和ISA是PC世界最常用的外設接口，但由于ISA在設計上已經相當陳舊了，現在有PCI將全面替代ISA的趨勢，因此，PCI總線已成為當今最常用的外設總線，也是?Linux內核?支持最好的總線。
2．2?PCI總線概覽
PCI是一組完全的規范，它定義了計算機的不同部分是如何交互的。PCI規范覆蓋了與計算機接口相關的絕大多數方面，本文主要討論一個PCI驅動程序是如何找到它的硬件，并獲得對它的訪問的。
PCI外設由一個總線號、一個設備號、和一個功能號確定。
PCI設備有三種地址空間，分別是：內存空間、I/O共享空間和?配置?空間。前兩個地址空間由PCI總線上的所有設備共享，而配置空間則是設備私有的。每個PCI插槽有一個配置事務的私用使能線，PCI控制器一次只能訪問一個外設，不會有?地址沖突?。所有這些空間對于?CPU?來說都是可以訪問的。在初始化階段，外設的配置信息被Linux內核中的初始化程序從配置空間讀出。這樣，一旦配置寄存器被讀出，不需通過探測，驅動程序就可以訪問它的硬件了。
2．3?PCI配置寄存器
2．3．1?配置寄存器布局
PCI配置寄存器的布局是標準化的，由256字節的地址空間組成，其中前64個字節是標準化的，其余的則與具體設備相關。
下表顯示了與設備無關配置空間的布局?。
配置地址偏移?寄存器英文名?寄存器中文名
00H—01H?Vendor?ID?制造商標識
02H—03H?Device?ID?設備標識
04H—05H?Command?命令寄存器
06H—07H?Status?狀態寄存器
08H?Revision?ID?版本識別號寄存器
09H—0bH?Class?Code?分類代碼寄存器
0cH?Cache?Line?Size?CACHE行長度寄存器
0dH?Latency?Timer?主設備延遲時間寄存器
0eH?Header?Type?頭標類型寄存器
0fH?Bulit-in-teset?Register?內含自測試寄存器
10H—13H?Base?Address?Register?0?基地址寄存器0
14H—17H?Base?Address?Register?1?基地址寄存器1
18H—1bH?Base?Address?Register?2?基地址寄存器2
1cH—19H?Base?Address?Register?3?基地址寄存器3
20H—23H?Base?Address?Register?4?基地址寄存器4
24H—27H?Base?Address?Register?5?基地址寄存器5
28H—2bH?Cardbus?CIS?Pointer?設備總線CIS指針寄存器
2cH—2dH?Subsystem?Vendor?ID?子設備制造商標識
2eH—2fH?Subsystem?Device?ID?子設備標識
30H—33H?Expasion?ROM?Base?Address?擴展ROM基地址
34H—3bH?———?保留
3cH?Interrupt?Line?中斷線寄存器
3dH?Interrupt?Pin?中斷引腳寄存器
3eH?Min_Gnt?最小授權寄存器
3fH?Max_Lat?最大延遲寄存器
討論所有的配置項顯然超出了本文的討論范圍，通常，與設備一起發布的技術資料會詳細描述它支持的寄存器。我們只對那些有助于驅動程序找到設備的配置項感興趣，它們是：VendorID、DeviceID和ClassCode。每個PCI外設都會把自己的值放入這些只讀寄存器，驅動程序可以用它們來查找設備。
下面的頭文件，宏，以及函數都將被PCI驅動程序用來尋找它的硬件設備：
#include?
?驅動程序需要知道PCI函數在核心是否是可用的。通過包含這個頭文件，驅動程序獲得了對CONFIG_宏的訪問，包括CONFIG_PCI。
CONFIG_PCI
如果核心支持對PCI?BIOS的調用，那么這個宏被定義。并不是每臺計算機都有PCI總線，所以核心的開發者應該把?PCI的支持做成編譯時的可選項，從而在無PCI的計算機上運行Linux時節省內存。如果CONFIG_PCI沒有定義，那么這個列表中其它的函數都不可用，驅動程序應使用預編譯的條件語句將針對PCI的語句全都排除在外。
#include?
這個頭文件聲明了以下介紹的函數。這個頭文件還定義了函數返回的?錯誤代碼?的符號值。
int?pcibios_present(void)
由于與PCI相關的函數在無PCI總線的計算機上是毫無意義的，pcibios_present函數就是告訴驅動程序計算機是否支持PCI；如果支持，它返回一個為真布爾值。在調用下面介紹的函數之前最好先檢查一下pcibios_present，以保證計算機支持PCI。
#include?
這個頭文件定義了下面函數使用的所有數值的符號名。并不是所有的設備ID都在這個文件中列出了，但這個文件內容一直在增加，因為不斷有新設備的符號定義被加入。
int?pcibios_find_device(unsigned?short?vendor,
unsigned?short?id,
unsigned?short?index,
unsigned?char?*bus,
unsigned?char?*function);
如果CONFIG_PCI被定義了，并且pcibios_present也是真，這個函數被用來從BIOS請求相關設備的信息。vendor?/?id對用來確定設備。index用來支持具有同樣的vendor?/?id對的幾個設備。對這個函數的調用返回設備在總線上的位置以及函數指針。返回代碼為0表示成功，非0表示失敗。
int?pcibios_find_class(unsigned?int?class_code,
unsigned?short?index,
unsigned?char?*bus,
unsigned?char?*function);
這個函數和上一個類似，但它尋找屬于特定類的設備。返回代碼為0表示成功，非0表示有錯。
char?*pcibios_strerror(int?error)
這個函數用來將一個PCI錯誤代碼翻譯為字符串。
2．3．2?訪問配置寄存器
當驅動程序檢測到設備后，就可以對內存、I/O和配置空間進行讀或寫了。特別地，訪問配置空間對于驅動程序來說極為重要，因為這是它發現設備被映射到內存和I/O空間某地方的唯一方法。
驅動程序或Linux內核可以使用以下的軟件接口，以8位、16位、32位的數據來訪問配置空間。這些函數都是標準化的，相關原型在中：
int?pcibios_read_config_byte(?unsigned?char?bus,
unsigned?char?function,
unsigned?char?where,
unsigned?char?*ptr);
int?pcibios_read_config_word(unsigned?char?bus,
unsigned?char?function,
unsigned?char?where,
unsigned?char?*ptr);
int?pcibios_read_config_dword(unsigned?char?bus,
unsigned?char?function,
unsigned?char?where,
unsigned?char?*ptr);
它們分別從由bus和function確定的設備的配置空間讀取1，2，4個字節。參數where是從配置空間開始處的字節偏移，?從配置空間取出的值通過ptr返回。如果出錯，這些函數的返回值是錯誤代碼。
int?pcibios_write_config_byte(?unsigned?char?bus,
unsigned?char?function,
unsigned?char?where,
unsigned?char?val);
int?pcibios_?write_config_word(unsigned?char?bus,
unsigned?char?function,
unsigned?char?where,
unsigned?char?val);
int?pcibios_?write_config_dword(?unsigned?char?bus,
unsigned?char?function,
unsigned?char?where,
unsigned?char?val);
它們分別向配置空間里寫1，2，4個字節。設備仍由bus和function確定，要寫的值由val傳遞。
2．4 訪問I/O和內存空間
配置 項PCI_BASE_ADDRESS_0 到PCI_BASE_ADDRESS_5表示PCI外設的六個地址區段（這里的“區段”指一個PCI地址范圍），每個區段可以由內存或I/O位置組成，或者根本不存在。 由于PC上的I/O空間已經相當擁擠，且有的處理器（如Alpha）自身沒有I/O空間，因此大多數設備用一個內存區段代替它們的I/O 端口。
PCI定義的I/O空間是一個32位的地址空間，如果設備使用64位的地址總線，那么它可以為每個區段用兩個連續的PCI_BASE_ADDRESS寄存器在64位的內存空間來聲明區段。
然后我們就可以用前面講到的函數來讀寫區段地址了， 例如：
pcibios_read_config_dword(bus,fun, PCI_BASE_ADDRESS_0,&port);
將PCI_BASE_ADDRESS_0代表的地址讀到port中。
pcibios_write_config_dword(bus,fun, PCI_BASE_ADDRESS_3,val);
將val的值寫到PCI_BASE_ADDRESS_3中。
如何訪問I/O端口呢？
在已得到了I/O端口地址的前提下，可以使用 Linux內核 頭文件中定義的函數訪問I/O端口：
unsigned char inb(unsigned short port);
void outb(unsigned char byte,unsigned short port);
按字節讀寫8位端口。
unsigned short inw(unsigned short port);
void outw(unsigned short word,unsigned short port);
按字寬度讀寫16位端口。
unsigned long inl(unsigned short port);
void outl(unsigned long word,unsigned short port);
按雙字讀寫32位端口。
注意，port參數在x86平臺上定義為unsigned short，但在Alpha平臺上定義為unsigned long。
第三章 可加載的內核模塊：
3．1 Linux內核與驅動程序
在 Linux系統 中，若干并發 進程 執行著不同的任務。每個進程都可能有獲得系統資源的要求。內核是一整塊可執行代碼，它負責處理所有這樣的請求。內核可以被劃分為以下這些部分： 進程管理 、內存管理、文件系統、設備控制、網絡。
Linux有一個很好的特性，即通過加載模塊可以擴展內核代碼，也就是說可以隨時增加系統的功能。而本文所要討論的PCI設備驅動程序其實也是加載到內核中的一個模塊。
世界各地鉆研Linux內核的人群當中，大多是在寫設備驅動程序。盡管每個驅動程序都不一樣，而且還需知道自己設備的特殊細節，但是這些設備驅動程序的許多原則和基本技術技巧都是一樣的。
在編寫驅動程序時，程序員應該注意以下問題：不同用戶有不同的需求，程序員編寫內核代碼訪問硬件時，不能強迫用戶采用某種特定的策略。設備驅動程序應該僅僅處理硬件，將如何使用硬件的問題留給應用程序。我們可以這樣來看待我們所編寫的驅動程序：它是位于應用層與實際設備之間的軟件。程序員可以使不同的驅動程序提供不同的能力，甚至相同的設備也可以提供不同的能力，只要使用不同的驅動程序即可。
3．2 模塊與應用程序
3．2．1 內核模塊與應用程序之間的區別
一個應用程序從頭到尾完成一個任務；而模塊是可以在系統啟動之后任何時刻動態連接到核心的代碼塊，它們可以在系統不再需要它們時從核心刪除并卸載。 init_module( )（模塊的入口點）在加載模塊時被調用，其任務就是為以后調用模塊的函數做準備；模塊的第二個入口點，cleanup_module，僅當模塊被下載前才被調用。能夠卸載是模塊化的優良特性之一，這可以使 程序開發 者減少開發時間：無需每次都花很長的時間開關機就可以測試所編寫的驅動程序。
內核編程和應用程序編程還有一個區別，就是它們出錯后所造成的后果不同：在應用程序開發期間，段違例是無害的，利用調試器可以輕松地跟蹤到引起問題的錯誤之處；然而內核失效卻是致命的，即使不至于使整個系統崩潰，那至少會使當前進程無法繼續運行。
在涉及到內核模塊與應用程序之間的區別時，還得注意一下“名字空間污染”問題：即存在很多函數和全局變量時，它們的名字已不再富有足夠的意義來很容易地區分彼此的問題。在編寫應用程序時，程序員就必須花大量的精力來記住某些“保留”名，并為新符號尋找新的唯一的名字。而在編寫內核代碼時如果出現“名字空間污染”問題，那對程序員來說簡直是無法容忍的，因為即便是最小的模塊也要連接到整個內核中。防止此類問題出現的方法是把所有自己定義的符號都聲明為 static。此外，也可以通過聲明一個符號表來避免對所有符號都使用static聲明。
3．2．2 用戶空間和內核空間
操作系統 要為程序提供一個計算機硬件一致的視圖；同時，操作系統有處理程序的獨立操作，并防止對資源的未經授權的訪問。這就要求 CPU 具有可以防止 系統軟件 免受 應用軟件 干擾的保護機制，而每種現代處理器都能實現這種功能。實現的方案就是在CPU內部實現不同的操作模式（或級），不同的級有不同的權限，而且某些操作不允許在最低級使用，程序代碼只能從一個級切換到另一個級。在Linux系統中，執行態分最高級（也稱為“管理員態”）和最低級（也稱為“用戶態”），它們分別對應“內核空間”和“用戶空間”。模塊就是在“內核空間”運行的，而應用程序則是在“用戶空間”中運行的。
3．3 模塊的基本結構
內核模塊至少必須包含兩個函數：init_module和cleanup_module。第一個函數是在把模塊加載入內核時調用的；第二個函數則是在刪除該模塊時調用。一般說來，init_module向內核注冊模塊所能提供的所有新功能，即可以由應用程序使用的新功能。函數 cleanup_module的任務是清除掉init_module所做的一切，這樣，這個模塊就被安全地卸載了。
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總結
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