Linux下PCI设备驱动开发详解（三）

在进行PCIe实际软硬件开发之前，我们要先非常清晰几个概念，这些概念可以让我们高屋建瓴，了解整个PCIe软硬异构系统如何运行的，以及PCIe驱动和PCIe device处在整个系统的什么位置，非常关键。

一、PCIe软硬异构系统的概念

1. 应用程序、库、内核以及驱动程序

  • 应用程序：应用程序调用一系列函数库，通过对文件的操作完成一系列的功能；
    应用程序以文件的形式访问各种硬件设备（linux特定的抽象方式，把所有的硬件访问抽象成对文件的读写、设置）。
  • 库：部分库函数不需要内核的支持，由库函数内部通过代码实现，直接完成功能；
    部分库函数，涉及到硬件操作或者内核的支持，由内核完成对应的功能，称之为系统调用。
  • 内核：内核负处理系统调用，根据设备文件的类型，主设备号、从设备号、调用设备驱动程序。
  • 驱动程序：驱动负责直接与硬件通信；

2. 设备类型

当前linux把所有的硬件设备分为3大类：字符设备、块设备、网络设备。

  • 字符设备：char型设备是个能够像字节流一样被访问的设备；对字符设备驱动程序至少实现open、close、read和write系统调用；
  • 块设备：传输固定大小的数据（512或者1k）来访问设备；
  • 网络设备：任何网络事务都经过一个网咯接口形成，即一个能够和其他主机交换数据的设备。访问网络接口仍然是给他们分配一个唯一的名字（如eth0）。内核和网络设备驱动程序的通信，完全不同于内核与字符、块设备的通信，内核调用一套与数据传输相关的函数（socket），而不是write、read。

3. 设备文件、主设备号、从设备号

有了设备类型的划分，那么应用程序应该怎么访问具体的硬件设备？

答案：姓名，在linux中就是设备的文件名；

那么重名怎么办呢？

答案：身份证号，在linux中就是设备号（主、从）；

设备文件：

在linux中，有一个约定成俗的说法，“一切皆文件”，应用程序使用设备文件节点对应的设备，linux下的各种硬件以文件的形式放在/dev目录下，linux把对硬件的操作全部抽象成对文件的操作（open、read、write、close）等；

在设备管理中，除了设备类型外，内核还需要一对主从设备号，才能唯一标识一个设备，类似于ID；

主设备号：用于标识驱动程序，相同的主设备号使用相同的驱动程序；

次设备号：用于标识同一驱动程序的不同硬件；

4. 驱动程序、应用程序

应用程序以main()开始，驱动程序没有main()，它以一个模块初始化函数作为入口；

应用程序从头到尾执行一个任务，驱动程序完成初始化之后不再运行，除非等待系统调用；

应用程序可以使用glibc等标准的c函数库，驱动程序不能使用标准c库；

5. 用户态、内核态

驱动程序是内核的一部分，工作在内核态；应用程序工作在用户态；

数据访问问题：

无法通过指针直接将二者的数据地址进行传递；系统提供了一系列函数完成数据空间的转换：

get_user、put_user、copy_from_user、copy_to_user

6. linux驱动程序功能

  • 对设备初始化和释放资源；
  • 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；
  • 读取应用程序传递给设备文件的数据和回送给应用程序请求的数据；
  • 检测和处理设备出现的错误；
  • 用于区分具体设备的实例；

二、总线、设备和驱动

设备驱动离不开3部曲：总线、设备和驱动。

Linux下PCI设备驱动开发详解（三）_PCI

linux设备驱动模型，由总线（bus）、设备（device）、驱动（driver）三部分组成；总线是处理器和设备之间的通道，在设备模型中，所有的设备都是通过总线相连；总线作为linux设备驱动模型的核心架构，系统中设备都和驱动挂接在相应的总线上了，来完成各自的工作；

1. 总线、设备、驱动概述

  • 总线
    分为物理层面总线和软件层面总线：
    物理层面的总线，需要共同遵循一样的时序，不同总线硬件的通信也是不同的，如iic总线、usb总线、PCIe总线； 软件层面的总线，负责管理设备和驱动。设备和驱动要让系统感知自己，需要向总线注册自己，并明确自己所属的总线；总线上的设备和驱动匹配，设备提自己对驱动的条件（名字），驱动告知总线自己支持的设备条件（ids），设备注册的时候，总线就会遍历它上面的驱动，找到最适合这个设备的驱动；同样，驱动注册的时候，总线也会遍历在上面的设备，找到其支持的设备，即这是总线match做的事情； 总线匹配后，不知道设备是否正常，这个时候驱动就需要探测一下，即probe干的事情。
  • 设备
    代表真实存在的物理器件，每个器件都有不同的通信时序，iic、usb、PCIe这些代表了不同的时序，这样就和总线挂钩了。
  • 驱动
    驱动代表操作设备的方式和流程，以应用来说，在程序open设备时，接着read这个这个设备，驱动就是实现应用访问的具体过程。驱动就是一个通信官和翻译官，一是通过对soc的控制寄存器编程，按总线要求输出相应时序的命令，与设备交互，一是对得到数据进行处理，给上层提供特定格式数据。

2. 结合代码和实际分析三者关系

系统启动后，会调用buses_init()函数创建/sys/bus文件目录，这部分系统在开机是已经帮我们准备好了，接下去就是通过总线注册函数bus_register()进行总线注册，注册完成后，在/sys/bus目录下生成device文件夹和driver文件夹，最后分别通过device_register()以及driver_register()函数注册对应的设备和驱动。

2.1 总线初始化

系统启动后，会调用buses_init()函数创建/sys/bus这个文件目录，这部分操作在系统开机的时候帮我们准备好了。

2.2 总线注册

系统中不一定有你需要的总线，linux提供了一些函数来添加或注销总线，大部分情况下编写linux驱动模块时，内核已经为我们准备了大部分总线驱动，正常情况下我们一般不会去注册一个新的总线。

总线注册和注销的函数原型如下：

int bus_register(struct bus_type *bus)

当配对成功（match）后，内核就会调用指定驱动中的probe函数进行初始化。

以注册xbus总线为例：

创建/sys/bus/xbus目录，目录名xbus为我们新注册的总线名；
创建/sys/bus/xbus/devices目录，并创建属性文件；
创建/sys/bus/xbus/drivers目录，并创建属性文件；
初始化priv->klist_device链表头；
初始化priv->klist_driver链表头

下图是系统中注册的设备总线：

Linux下PCI设备驱动开发详解（三）_应用程序_02

2.3 设备注册

添加设备，关联硬件相关代码：

int device_register(struct device *dev)
创建/sys/bus/xbus/devices/yyy目录；
加入bus->priv->devices_kset链表；
加入bus->priv->klist_devices链表；
加入bus->priv->klist_drivers，执行bus->match()寻找合适的drv；
dev关联driv，执行drv->probe()

下面就是实际的PCI设备：

Linux下PCI设备驱动开发详解（三）_应用程序_03

2.4 驱动注册
添加驱动，关联软件相关代码：
int driver_register(struct device_driver *drv)
创建/sys/bus/xbus/driver/zzz目录；
加入bus->priv->driver_kset目录；
加入bus->priv->klist_driver链表；
遍历bus->priv->klist_device链表，执行bus->match()寻找合适的dev；
driv关联dev，执行drv->probe();

下面就是实际的PCI驱动：

Linux下PCI设备驱动开发详解（三）_linux_04

三、总结

linux设备驱动模型，由总线（bus）、设备（device）、驱动（driver）三部分组成；总线是处理器与设备之间的通道，在设备模型中，所有的设备都是通过总线相连；总线作为linux设备驱动模型的核心架构，系统中的设备都和驱动挂接在相应的总线上，来完成各自的工作。

四、未完待续

Linux下PCI设备驱动开发详解（四），将会结合实际的PCI设备，讲解实际PCI设备驱动开发及其相关的知识。

五、参考资料

https://blog.csdn.net/pen_cil/article/details/79763106