《Linux Device Drivers》第十二章 PCI司机——note

  • 一个简短的引论
    • 它给这一章总线架构的高级概述
    • 集中访问讨论Peripheral Component Interconnect（PCI，外围组件互连）外设内核函数
    • PCI公交车是最好的支持的内核总线
    • 本章主要介绍PCI驱动程序假设寻找其硬件和获得对它的訪问
    • 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怎样交互
    • 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数据传输时更好的性能
        • 通过使用比ISA更高的时钟频率。PCI总线获得了更好的性能。它的时钟频率通常是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，并且规范已经包含了64位的扩展
      • 尽可能的平台无关性
      • 简化往系统中加入和删除外设的工作
    • PCI设备是无跳线设备，能够引导阶段自己主动配置

    • PCI寻址
      • 每一个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规范同意单个系统拥有高达256个总线，可是256个总线对于很多大型系统而言是不够的，因此，Linux眼下支持PCI域
      • 每一个PCI域能够拥有最多256个总线
      • 每一个总线上可支持32个设备，每一个设备能够是多功能板，最多可有八种功能
      • 每种功能都能够在硬件级由一个16位的地址来标识
      • 为Linux编写的设备驱动程序能够使用一种特殊的数据结构（pci_dev）来訪问设备
      • 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）来完毕，它是用来连接两个总线的特殊PCI外设
      • PCI系统的总体布局组织为树型，当中每一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
      • 每一个外设板的硬件电路对例如以下三种地址空间的查询进行应答
        • 内存位置
        • I/Oport
        • 配置寄存器
      • 前两种地址空间由同一PCI总线上的全部设备共享
      • 配置空间利用了地理寻址
      • 配置查询每次仅仅对一个槽寻址
      • 每一个PCI槽有四个中断引脚，每一个设备功能可使用当中的一个
      • 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位地址来訪问
    • 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/Oport映射到计算机的地址空间
        • 禁止中断报告
      • 每一个PCI主板均配备有可以处理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訪问
      • 系统引导时，固件在每一个PCI外设上运行配置事务。以便为它提供的每一个地址区域分配一个安全的位置
    • 配置寄存器和初始化
      • 全部的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
      • 驱动程序编写者在訪问多字节的配置寄存器时。要十分注意字节序，由于可以在PC上工作队的代码到其它平台上可能就无法工作
      • vendorID、deviceID和class是经常使用的三个寄存器
        • 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冊表，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
          • 每一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
      • 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，假设驱动程序能够处理不论什么厂商或者设备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，假设驱动程序能够处理不论什么类型的子系统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能够指定它支持一种PCI类（class）设备，假设驱动程序能够处理不论什么类型的子系统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)
    • 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程序在全部的模块中搜索符号__mod_pci_device_table
        • 假设找到了该符号，它把数据从该模块中抽出，加入到文件/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
    • 注冊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
          • 当驱动程序执行在内核中时，它会出如今sysfs的/sys/bus/pci/drivers/以下
        • const struct pci_device_id *id_table
        • int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);
          • 指向PCI驱动程序中的探測函数的指针同。当PCI核心有一个它觉得驱动程序须要控制的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
      • int pci_register_driver(struct pci_driver *drv);
        • 注冊成功返回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设备能够在不论什么时刻出现或者消失
      • 2.6内核同意在驱动程序被装载之后动态地分配新的PCI ID给它
    • 老式PCI探測
      • 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);
    • 訪问配置空间
      • 在驱动程序检測到设备之后，通常须要读取或写入三个地址空间
        • 内存
        • port
        • 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);
    • 訪问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，我们无需訪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
      • 假设设备不支持中断，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
      • 用于配置寄存器訪问的相关结构仅包括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);
      • 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
  • ISA回想
    • ISA总线在设计上相当陈旧并且其差劲的性能臭名昭著
    • 当要支持老主板而速度又不是很重要时，ISA比起PCI要占些优势
    • 假设你是一位电子爱好者，你能够很easy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/Oport、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。须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，而无需改动底层的电气接口（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，这些总线的实际优点在于，它们能够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
  • 其它的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、共享中断线和用来訪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，同一时候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，它通过加入第三个纵向插槽对ISA连接器进行了扩展
  • SBus
    • 存在非常长一段时间了，具有相当高级的设计
    • 虽然仅仅有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
    • 能够在老式的Mac计算机（使用M68k系列CPU）中找到它
    • 全部的总线都是内存映射的。并且设备仅仅能被地理寻址
  • 外部总线
    • 外部总线包含：USB、FireWire和IEEE1284
    • 这些总线既不是功能完整的接口总线（比方PCI），也是哑的通信通道（比方串口）
    • 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”设备的司机

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