基于Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無配置信息PCI設(shè)備的驅(qū)動設(shè)計(jì)

引言

Linux是非常優(yōu)秀的開源操作系統(tǒng)，有著十分廣泛的應(yīng)用。基于該操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序的需求越來越多。PCI作為一種廣泛采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，在嵌入式系統(tǒng)中正被大量使用，而Linux的內(nèi)核也能很好地支持PCI設(shè)備。為此，本文介紹了Linux下無配置信息PCI設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)開發(fā)方法。

1 PCI總線及無配置信息PCI設(shè)備

1.1 PCI總線

PCI是外圍設(shè)備互連（Peripheral ComponentInterconnect）的簡稱，是一種通用的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，原先是應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的。PCI提供了一組完整的總線接口規(guī)范，其目的是描述如何將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備以一種結(jié)構(gòu)化和可控化的方式連接在一起。該規(guī)范同時(shí)詳細(xì)定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)不同部件之間應(yīng)該如何正確地進(jìn)行交互。在一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，總線子系統(tǒng)與存儲子系統(tǒng)被PCI總線分開，CPU通過一塊稱為PCI橋的設(shè)備來完成同總線子系統(tǒng)的交互，圖1所示是一個(gè)PCI子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

盡管目前PCI設(shè)備大多采用32位數(shù)據(jù)總線，但PCI規(guī)范中已經(jīng)給出了64位的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)方案，從而使PCI總線能夠更好地實(shí)現(xiàn)平臺無關(guān)性。雖然PCI總線是由Intel公司提出的，但它不局限于Intel系列的處理器。當(dāng)今流行的其它處理器系列如Alpha、PowerPC、APARC，以及多處理器結(jié)構(gòu)的下一代處理器都可以使用PCI總線。具體而言，PCI總線包含的特點(diǎn)可簡要描述為高性能、線性突發(fā)傳輸、極小的存取延誤、采用總線主控和同步操作、獨(dú)立于處理器、兼容性強(qiáng)、預(yù)留了發(fā)展空間、低成本、高效益、軟件透明等等。

1.2 PCI設(shè)備的配置空間

標(biāo)準(zhǔn)的PCI設(shè)備上有三種地址空間：I／O空間、存儲空間及配置空間。CPU可以訪問PCI設(shè)備上的所有地址空間，其中I／O空間和存儲空間提供給設(shè)備驅(qū)動程序使用，主要用來實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備和Linux內(nèi)核中設(shè)備驅(qū)動程序之間的通訊。而配置空間則裝載著PCI設(shè)備的配置信息，主要由Linux內(nèi)核中的PCI初始化代碼使用。PCI設(shè)備的配置信息空間如圖2所示。

標(biāo)準(zhǔn)PCI設(shè)備配置信息空間的大小為256個(gè)字節(jié)，其中低64個(gè)字節(jié)稱為頭標(biāo)區(qū)，這部分區(qū)域的格式是固定的。內(nèi)容包括PCI設(shè)備號、廠商識別號、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、基址寄存器等重要信息；其余的192個(gè)字節(jié)稱為設(shè)備有關(guān)區(qū)，不同的設(shè)備可以對這部分寄存器進(jìn)行不同的定義。

1.3 無配置信息的PCI設(shè)備

目前的嵌人式系統(tǒng)往往會要求CPU和專用數(shù)據(jù)運(yùn)算器之間以很高的速率通信。由于現(xiàn)行的總線規(guī)范中，PCI的高性能是最為突出的，因此PCI總線的連接方式被大量采用。數(shù)據(jù)運(yùn)算器往往是針對某一系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，通常會采用FPGA設(shè)計(jì)。即在FPGA中添加進(jìn)PCI的接口設(shè)計(jì)，也就是把FPGA設(shè)計(jì)成為一塊PCI設(shè)備。但是由于嵌入式系統(tǒng)的局限性，在某些FPGA的PCI接口設(shè)計(jì)中不能劃分配置信息空間（I／O空間和存儲空間是設(shè)備與CPU信息交互的基礎(chǔ)，是必須存在的），因此這個(gè)設(shè)計(jì)也就是一塊無配置信息的PCI設(shè)備。

2 Linux設(shè)備驅(qū)動程序

Linux的設(shè)備驅(qū)動程序大致可以分為驅(qū)動程序的注冊與注銷、設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理幾個(gè)部分。

2.1 設(shè)備的注冊與注銷

向系統(tǒng)增加一個(gè)驅(qū)動程序就要賦予它一個(gè)主設(shè)備號，這一賦值過程應(yīng)該在驅(qū)動程序的初始化中完成，它通過調(diào)用函數(shù)register_chrdev（）或reg-iste_blkdev （）向內(nèi)核注冊。接下來就是給程序一個(gè)設(shè)備驅(qū)動程序名，這個(gè)名字必須插入到／dev目錄中，并與驅(qū)動程序的主設(shè)備號和次設(shè)備號相連。獲得主設(shè)備號的方法是選擇一個(gè)當(dāng)前不用的設(shè)備號，或者在調(diào)用register_chrdev時(shí)讓參數(shù)ma-jor為0，這樣，其返回值便是設(shè)備的主設(shè)備號。另外，在關(guān)閉字符設(shè)備或塊設(shè)備時(shí)，還需要通過unregisler_chrdev（）或unregister_blkdev（）從內(nèi)核中注銷設(shè)備，并釋放主設(shè)備號。

2.2 設(shè)備的打開與釋放

打開設(shè)備可由open（）完成。在大部分驅(qū)動程序中，open主要用于檢查設(shè)備相關(guān)錯(cuò)誤（如設(shè)備尚未準(zhǔn)備好等）、識別次設(shè)備號（如有必要更新當(dāng)前read／write位置f_ops指針），以及分配和填寫要放在file-》private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

釋放設(shè)備由release（）完成，release的作用與open相反，主要是釋放file-》private_data中open分配的內(nèi)存，并在最后一次關(guān)閉操作時(shí)關(guān)閉設(shè)備。

2.3 設(shè)備的讀寫操作

字符設(shè)備使用各自的read（）和write （）來對設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。塊設(shè)備則使用通用block_read（）和block_write（）來對設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。這兩個(gè)通用函數(shù)可以向請求表中增加讀寫請求，這樣，內(nèi)核就可以優(yōu)化請求順序。由于是對內(nèi)存緩沖區(qū)而不是對設(shè)備進(jìn)行操作，因而能加快讀寫請求。如果內(nèi)存緩沖區(qū)內(nèi)沒有要讀入的數(shù)據(jù)或者需要將寫請求寫入設(shè)備，那么就需要真正地執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 設(shè)備的控制操作和中斷處理

除了讀寫操作外，有時(shí)還需要控制設(shè)備。這在操作時(shí)可以通過設(shè)備驅(qū)動程序中的ioctl（）來完成。另外，對于不支持中斷的設(shè)備，讀寫時(shí)需要輪流查詢設(shè)備狀態(tài)，以決定是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果設(shè)備支持中斷，則可按中斷方式進(jìn)行。

3 無配置信息PCI設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)

無配置信息PCI設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于初始化，其余部分與標(biāo)準(zhǔn)PCI設(shè)備驅(qū)動差別不大。其初始化的方法有兩種：一是選用外接的EEPROM來存儲該設(shè)備的配置信息；二是直接在驅(qū)動程序的探測模塊里注冊設(shè)備。

用外接EEPROM配置方式時(shí)，內(nèi)核啟動后會檢測EEPROM，然后讀出其中的配置信息，并將設(shè)備的信息注冊到pci dev里。

在實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用中，如果無法外接EEP-ROM，就必須直接在驅(qū)動程序的探測模塊里注冊設(shè)備。在這種方式下，若系統(tǒng)中沒有其它的即插即用PCI設(shè)備，則可能會導(dǎo)致檢測設(shè)備失敗，但事實(shí)上已經(jīng)注冊了該P(yáng)CI設(shè)備，因此完全可以正常運(yùn)行。

筆者開發(fā)的嵌入式TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的CPU采用MPC8250芯片，基帶信號處理模塊采用Xilinx公司的X3SC4000（FG676）。MPC8250是Mo-torola公司開發(fā)的一款PowerPC系列嵌入式處理器，該處理器中有32位超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)Power-PC603e處理器內(nèi)核，并集成有PCI橋、PCI仲裁器、存儲器控制器等部件。FPGA的設(shè)計(jì)中則包括PCI接口、sdram控制器及編碼調(diào)制運(yùn)算模塊。

此操作系統(tǒng)采用Linux，內(nèi)核版本為2.6。由于Linux能很好地支持PCI總線，本設(shè)計(jì)在CPU和FPGA之間采用了PCI總線連接方式。由于FPGA的設(shè)計(jì)要求，PCI總線的中斷信號未被使用，而是另行設(shè)定了兩條中斷信號線通往MPC8250的通用設(shè)計(jì)口。該系統(tǒng)支持FPGA中bin文件的實(shí)時(shí)更新，因此沒有采用配置EPROM來配置FPGA，而是把要下載到FPGA里的bin文件同Uboot、Linux內(nèi)核及jffs2文件系統(tǒng)一起放在了FLASH里，然后通過MPC8250提供的SPI總線下載到FPGA中。實(shí)際上，如需要更新FPGA的.bin文件，則可通過以太網(wǎng)口將文件拷入FLASH中再下載。

在系統(tǒng)上電啟動后，由于Linux內(nèi)核先于jffs2解壓，而FPGA的文件又必須在jffs2解壓完后才能釋放到內(nèi)核空間，然后再借助SPI總線下載到FP-GA中，因此無法在FPGA中創(chuàng)建PCI設(shè)備配置信息空間，所以，本設(shè)計(jì)采用在檢測PCI設(shè)備時(shí)直接注冊的方法。

3.1 驅(qū)動程序的總體框架

下面是筆者驅(qū)動的整體框架，從中可以很明顯地看出幾個(gè)模塊是如何聯(lián)系起來的：

3.2 具體模塊的實(shí)現(xiàn)

由于本系統(tǒng)沒有采用標(biāo)準(zhǔn)PCI總線提供的中斷信號，因此驅(qū)動程序中無中斷處理模塊，下面著重介紹對本設(shè)計(jì)比較重要的初始化設(shè)備過程以及打開設(shè)備模塊、讀寫模塊的設(shè)計(jì)方法。

（1） 初始化設(shè)備過程

初始化設(shè)備過程也是本系統(tǒng)PCI設(shè)備驅(qū)動中最為關(guān)鍵的部分。由于本系統(tǒng)中允許PCI總線掛接其它的即插即用設(shè)備，因此，這部分程序還需要保留。其部分代碼及注釋如下：

在2.4之前的內(nèi)核版本中，需要手動調(diào)用pci_find_device（）函數(shù)來查找PCI設(shè)備，但在2.4版本后，則可以調(diào)用probe探測函數(shù)來完成對硬件的檢測及信息獲取工作。其部分代碼如下：

在獲取的PCI信息子函數(shù)pci_rewin_pci_re-sources_claim（）和注冊設(shè)備子函數(shù)pci_rewin_de-vice_register（）里，筆者自己創(chuàng)建的PCI設(shè)備信息可以寫人到pci_dev，然后由Liunx內(nèi)核通過pci_register_drivet （）將此PCI設(shè)備信息創(chuàng)建在PCI設(shè)備列表中。

（2） 打開設(shè)備模塊

打開設(shè)備模塊主要用來檢查設(shè)備號、開辟PCI總線映射空間。打開設(shè)備模塊的部分代碼及注釋如下：

（3） 讀寫模塊

讀操作就是先通過memcpy_fromio函數(shù)將PCI上傳來的數(shù)據(jù)搬移到內(nèi)核空間中的接收緩沖區(qū)，再用copy_to_user搬移到用戶數(shù)據(jù)空間。接收緩沖區(qū)和接收數(shù)據(jù)散列表都要在初始化模塊中進(jìn)行處理。讀操作的部分代碼及注釋如下：

寫操作與讀操作正好相反，它先通過copy_from_user函數(shù)將用戶空間的數(shù)據(jù)搬移到內(nèi)核空間中的發(fā)送緩沖區(qū)，再通過memcpy函數(shù)搬移到PCI總線上。由于發(fā)送的數(shù)據(jù)長度是可變的，所以每次發(fā)送都需要構(gòu)造不同的發(fā)送散列表（發(fā)送緩沖區(qū)可以再初始化時(shí)分配）。寫操作的代碼與讀操作類似，故此省略。

值得注意的是，在PCI設(shè)備用I／O方式讀寫的時(shí)候，CPU將被迫停止工作以等待PCI設(shè)備完成此操作，且每次只允許一個(gè)設(shè)備訪問。這個(gè)策略不利于提升系統(tǒng)性能。但利用MPC8250芯片提供的DMA（直接內(nèi)存訪問）機(jī)制則可大大提高PCI總線的性能，這也是筆者下一步需要改進(jìn)的地方。

4 結(jié)束語

本文討論了Linux2.6版本下開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序的原理和相關(guān)知識。著重介紹了無配置信息PCI設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)方法。該驅(qū)動開發(fā)方法可成功應(yīng)用于嵌入式TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)。測試證明：本系統(tǒng)可穩(wěn)定有效工作。今后的工作將著重是提升系統(tǒng)性能并進(jìn)行改進(jìn)。

責(zé)任編輯：gt