Linux PCI驅(qū)動(dòng)到底都干了些什么?（二）

緊接著前文：Linux PCI驅(qū)動(dòng)到底都干了些什么?（一）

我們?cè)跍\談Linux PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)（一）中(以下簡(jiǎn)稱 淺談(一) )介紹了PCI的配置寄存器組，而Linux PCI初始化就是使用了這些寄存器來進(jìn)行的。后面我們會(huì)舉個(gè)例子來說明Linux PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)的主要工作內(nèi)容(不是全部?jī)?nèi)容)，這里只做文字性的介紹而不會(huì)涉及具體代碼的分析，因?yàn)橐治龃a的話，基本就是對(duì) Linux內(nèi)核源代碼情景分析(下冊(cè))第八章的解讀，讀者若想分析代碼，可以參考該書的內(nèi)容，我們這里就不去深入分析這些代碼了。

Linux PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼必須掃描系統(tǒng)中所有的PCI總線，尋找系統(tǒng)中所有的PCI設(shè)備(包括PCI-PCI橋設(shè)備)。系統(tǒng)中的每條PCI總線都有個(gè)編號(hào)number，根PCI總線的編號(hào)為0。系統(tǒng)當(dāng)前存在的所有根總線(因?yàn)榭赡艽嬖诓恢挂粋€(gè)Host/PCI橋，那么就可能存在多條根總線) 都通過其pci_bus結(jié)構(gòu)體中的node成員鏈接成一個(gè)全局的根總線鏈表，其表頭由struct list_head類型的全局變量pci_root_buses來描述，我們?cè)?linux-2.4.18/linux/drivers/pci/pci.c的38行可以看到如下定義：

LIST_HEAD(pci_root_buses);

而根總線下面的所有下級(jí)總線則都通過其pci_bus結(jié)構(gòu)體中的node成員鏈接到其父總線的children鏈表中。這樣，通過這兩種PCI總線鏈表，Linux內(nèi)核就將所有的pci_bus結(jié)構(gòu)體以一種倒置樹的方式組織起來。

另外，每個(gè)PCI設(shè)備都由一個(gè)pci_dev結(jié)構(gòu)體表示，每個(gè)pci_dev結(jié)構(gòu)體都同時(shí)連入兩個(gè)隊(duì)列，一方面通過其成員global_list掛入一個(gè)總的pci_dev結(jié)構(gòu)隊(duì)列(隊(duì)列頭是pci_devices)；同時(shí)又通過成員bus_list掛入其所在總線的pci_dev結(jié)構(gòu)隊(duì)列devices(隊(duì)列頭是pci_bus.devices,即該pci設(shè)備所在的pci總線的devices隊(duì)列)，并且使指針bus(指pci_dev結(jié)構(gòu)體里的bus成員)指向代表著其所在總線的pci_bus結(jié)構(gòu)。如果具體的設(shè)備是PCI-PCI橋，則還要使其指針subordinate指向代表著另一條PCI總線的pci_bus結(jié)構(gòu)。同樣我們?cè)?linux-2.4.18/linux/drivers/pci/pci.c的39行可以看到如下定義：

LIST_HEAD(pci_devices);

對(duì)于PCI設(shè)備鏈表，我們可以通過圖1來理解。

注：該圖摘自《Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解》 第21章 PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

圖1 Linux PCI設(shè)備鏈表

而對(duì)于我們?cè)跍\談(一)中貼出的圖1的PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，Linux內(nèi)核中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如這里的圖2所示。

圖2 Linux內(nèi)核PCI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Linux PCI初始化代碼從PCI總線0開始掃描，它通過讀取"Vendor ID"和"Device ID"來試圖發(fā)現(xiàn)每一個(gè)插槽上的設(shè)備。如果發(fā)現(xiàn)了一個(gè)PCI-PCI橋，則創(chuàng)建一個(gè)pci_bus數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并且連入到由pci_root_buses指向的pci_bus和pci_dev數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成的樹中。PCI初始化代碼通過設(shè)備類代碼0x060400來判斷一個(gè)PCI設(shè)備是否是PCI-PCI橋。然后，Linux核心開始構(gòu)造這個(gè)橋設(shè)備另一端的PCI總線和其上的設(shè)備。如果還發(fā)現(xiàn)了橋設(shè)備，就以同樣的步驟來進(jìn)行構(gòu)建。這個(gè)處理過程稱之為深度優(yōu)先算法。PCI-PCI橋橫跨在兩條總線之間，寄存器PCI_PRIMARY_BUS和PCI_SECONDARY_BUS的內(nèi)容就說明了其上下兩端的總線號(hào)，其中PCI_SECONDARY_BUS就是該P(yáng)CI-PCI橋所連接和控制的總線，而PCI_SUBORDINATE_BUS則說明自此以下、在以此為根的子樹中最大的總線號(hào)是什么。

我們可以在/linux-2.4.18/linux/include/linux/pci.h看到如下定義：

112:/*Headertype1(PCI-to-PCIbridges)*/113:#definePCI_PRIMARY_BUS0x18/*Primarybusnumber*/114:#definePCI_SECONDARY_BUS0x19/*Secondarybusnumber*/115: #define PCI_SUBORDINATE_BUS 0x1a /* Highest bus number behind the bridge */

由于在枚舉階段做的是深度優(yōu)先掃描，所以子樹中的總線號(hào)總是連續(xù)遞增的。當(dāng)CPU往I/O寄存器0xCF8中寫入一個(gè)綜合地址以后，從0號(hào)總線開始，每個(gè)PCI-PCI橋會(huì)把綜合地址中的總線號(hào)與自身的總線號(hào)相比，如果相符就用邏輯設(shè)備號(hào)在本總線上尋訪目標(biāo)設(shè)備；否則就進(jìn)一步把這個(gè)總線號(hào)與PCI_SUBORDINATE_BUS中的內(nèi)容相比，如果目標(biāo)總線號(hào)落在當(dāng)前子樹范圍中，就把綜合地址傳遞給其下的各個(gè)次層PCI-PCI橋，要不然就不予理睬。這樣，最終就會(huì)找到目標(biāo)設(shè)備。當(dāng)然，這個(gè)過程只是在PCI設(shè)備的配置階段需要這樣做，一旦配置完成，CPU就直接通過有關(guān)的總線地址訪問目標(biāo)設(shè)備了。

PCI-PCI橋要想正確傳遞對(duì)PCI I/O，PCI Memory或PCI Configuration地址空間的讀和寫請(qǐng)求，必須知道下列信息：

(1)Primary Bus Number(主總線號(hào))

該P(yáng)CI-PCI橋所處的PCI總線稱為主總線。

(2)Secondary Bus Number(子總線號(hào))

該P(yáng)CI-PCI橋所連接的PCI總線稱為子總線/次總線號(hào)。

(3)Subordinate Bus Number

PCI總線的下屬PCI總線的總線編號(hào)最大值。有點(diǎn)繞，看后面的分析就明白了。

PCI I/O 和 PCI Memory 窗口

PCI橋的配置寄存器與一般的PCI設(shè)備不同。一般PCI設(shè)備可以有6個(gè)地址區(qū)間，外加一個(gè)ROM區(qū)間，代表著設(shè)備上實(shí)際存在的存儲(chǔ)器或寄存器區(qū)間。而PCI橋，則本身并不一定有存儲(chǔ)器或寄存器區(qū)間，但是卻有三個(gè)用于地址過濾的區(qū)間。每個(gè)地址過濾區(qū)間決定了一個(gè)地址窗口，從CPU一側(cè)發(fā)出的地址，如果落在PCI橋的某個(gè)窗口內(nèi)，就可以穿過PCI橋而到達(dá)其所連接的總線上。此外，PCI橋的命令寄存器中還有”memory access enable”和”I/O access enable ”的兩個(gè)控制位，當(dāng)這兩個(gè)控制位為0時(shí)，這些窗口就全都關(guān)上了。在未完成對(duì)PCI總線的初始化之前，還沒有為PCI設(shè)備上的各個(gè)區(qū)間分配合適的總線地址時(shí)，正是因?yàn)檫@兩個(gè)控制位為0，才不會(huì)對(duì)CPU一側(cè)造成干擾。例如， 對(duì)于淺談(一)的 PCI系統(tǒng)示意圖 ，僅當(dāng)讀和寫請(qǐng)求中的PCI I/O或PCI memory地址屬于SCSI或Ethernet設(shè)備時(shí)，PCI-PCI橋才將這些總線上的請(qǐng)求從PCI總線0傳遞到PCI總線1。這種過濾機(jī)制可以避免地址在系統(tǒng)中沒必要的繁衍。為了做到這點(diǎn)，每個(gè)PCI-PCI橋必須正確地被設(shè)置好它所負(fù)責(zé)的PCI I/O或PCI memory的起始地址和大小。當(dāng)一個(gè)讀或?qū)懻?qǐng)求地址落在其負(fù)責(zé)的范圍之內(nèi)，這個(gè)請(qǐng)求將被映射到次級(jí)的PCI總線上。系統(tǒng)中的PCI-PCI橋一旦設(shè)置完畢，如果Linux中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序存取的PCI I/O和PCI memory地址落在在這些窗口之內(nèi)，那么這些PCI-PCI橋就是透明的。這是個(gè)很重要的特性，使得Linux PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者的工作容易些。

問題是配置一個(gè)PCI-PCI橋的時(shí)候，并不知道這個(gè)PCI-PCI橋的subordinate bus number。那么就不知道該P(yáng)CI橋下面是否還有其他的PCI-PCI橋。即使你知道，也不清楚如何對(duì)它們賦值。解決方法是利用上述的深度掃描算法來掃描每個(gè)總線。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)PCI-PCI橋就對(duì)它進(jìn)行賦值。當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)PCI-PCI橋時(shí)，可以確定它的secondary bus number。然后我們暫時(shí)先將其subordinate bus number賦值為0xFF。緊接著，開始掃描該P(yáng)CI-PCI橋的downstream橋。這個(gè)過程看起來有點(diǎn)復(fù)雜,下面的例子將給出清晰的解釋：

圖3 配置PCI系統(tǒng) 第一步

PCI-PCI橋編號(hào)--第一步

以圖3的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，掃描時(shí)首先發(fā)現(xiàn)的橋是Bridge1。Bridge 1的downstream PCI總線號(hào)碼被賦值1。自然該橋的secondary bus number也是1。其subordinate bus number暫時(shí)賦值為0xFF。上述賦值的含義是所有類型1的含有PCI總線1或更高(<255)的號(hào)碼的PCI配置地址將被Bridge 1傳遞到PCI總線1上。如果PCI總線號(hào)是1，Bridge 1 還負(fù)責(zé)將配置地址的類型轉(zhuǎn)換成類型0(對(duì)于這里說的類型0和類型1，請(qǐng)參考淺談(一))。否則，就不做轉(zhuǎn)換。上述動(dòng)作就是開始掃描總線1時(shí)Linux PCI初始化代碼所完成的對(duì)總線0的配置工作。

圖4 配置PCI系統(tǒng) 第二步

PCI-PCI橋編號(hào)--第二步

由于Linux PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)使用深度優(yōu)先算法進(jìn)行掃描，所以初始化代碼開始掃描總線1。從而Bridge 2被發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樵贐ridge 2下面發(fā)現(xiàn)不再有PCI-PCI橋，所以Bridge 2的subordinate bus number是2，等于它的secondary bus number。圖4顯示了在這個(gè)時(shí)刻總線和PCI-PCI橋的賦值情況。

圖5 配置PCI系統(tǒng) 第三步

PCI-PCI橋編號(hào)--第三步

Linux PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼從總線2的掃描中回來接著進(jìn)行掃描總線1，發(fā)現(xiàn)Bridge 3。它的primary bus number被賦值為1，secondary bus number為3。因?yàn)榭偩€3上還發(fā)現(xiàn)了PCI-PCI橋，所以Bridge 3的subordinate bus number暫時(shí)賦值0xFF。圖5顯示了這個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)配置的狀態(tài)。到目前為止，含有總線號(hào)1，2，3的類型1的PCI配置都可以正確地傳送到相應(yīng)的總線上。

圖6 配置PCI系統(tǒng) 第四步

PCI-PCI橋編號(hào)--第四步

現(xiàn)在Linux開始掃描PCI總線3，Bridge 3的downstream。PCI總線3上有另外一個(gè)PCI-PCI橋，Bridge 4。因此Bridge 4的primary bus number的值為3，secondary bus number為4。由于Bridge 4下面沒有別的橋設(shè)備，所以Bridge 4的subordinate bus number為4。然后回到PCI-PCI Bridge 3。這時(shí)就將Bridge 3的subordinate bus number從0xFF改為4，表示總線4是從Bridge 3往下走的最遠(yuǎn)的PCI-PCI橋。最后，Linux PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼將4以同樣的道理賦值給Bridge 1的subordinate bus number。圖6反映了系統(tǒng)最后的狀態(tài)。

注：淺談Linux PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)（二）暫時(shí)的整體結(jié)構(gòu)就是這樣了，后續(xù)可能還會(huì)有些細(xì)節(jié)上的修補(bǔ)和添加。在此強(qiáng)烈推薦想學(xué)Linux PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)的朋友結(jié)合《Linux內(nèi)核源代碼情景分析下冊(cè)》第八章和《Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解》第21章 來學(xué)習(xí)。感謝您關(guān)注本文。