O 引言

　　PCI總線是一種成熟的計算機標準總線，而Linux操作系統(tǒng)則是一種源代碼公開的操作系統(tǒng)。Linux構(gòu)架完全沿襲了UNIX的系統(tǒng)架構(gòu)，它不但擁有UNIX的全部功能，而且具有UNIX穩(wěn)定、可靠、安全的優(yōu)點，尤其是Linux加入GNU并遵循公共版權許可證(GPL)之后，幾乎所有的GNU軟件都可以移植到Linux，從而完善和提高了Linux系統(tǒng)的使用性，并逐步成為通信、工業(yè)控制、消費電子等領域的主流操作系統(tǒng)。

　　本文主要對Linux環(huán)境下開發(fā)PCI9054芯片驅(qū)動的具體方法進行描述，并給出了如何將驅(qū)動程序編譯進內(nèi)核，以使驅(qū)動模塊靜態(tài)加載的方法。

　　1 PCI9054簡介

　　PCI總線協(xié)議一般需要繁瑣的邏輯驗證和時序分析工作，而且開發(fā)周期較長，因此，更多的做法是采用通用PCI接口芯片，這樣，只需要控制接口芯片的幾根控制線，就可以完成PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸，故可大大減少開發(fā)時間和成本。

　　PCI9054是由美國PLX公司生產(chǎn)的PCI橋接芯片，該芯片采用先進的PLX流水線結(jié)構(gòu)技術，符合PCI本地總線規(guī)范2．2版，并配有可選的串行EEPROM接口。芯片的本地總線時鐘可與PCI時鐘異步，其內(nèi)部有6種可編程FIFO，可以實現(xiàn)零等待突發(fā)傳輸及本地總線與PCI總線的異步操作，同時支持主模式、從模式、DMA傳輸模式，可廣泛用于嵌入式系統(tǒng)中。

　　PCI9054的地址資源是由其基址寄存器來設置的，PCI9054的配置空間有六個基址寄存器：BARO～BAR5，其中BARO映射到配置空間的基地址，BARl為映射到I／O空間的基地址，BAR2～BAR5可以定義為映射到內(nèi)存地址空間的基地址。配置空間的內(nèi)容可被Linux核心中的PCI初始化代碼使用，I／O空間和內(nèi)存地址空間可提供給設備驅(qū)動程序使用。

　　2 Linux下的PCI驅(qū)動程序

　　Linux將所有外部設備看成是一類特殊文件，即“設備文件”，它可分為兩大類：字符設備和塊設備。字符設備是必須以串行順序依次進行訪問的設備，如觸摸屏、磁帶驅(qū)動器、鼠標等。塊設備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，以塊為單位進行操作，如硬盤、軟驅(qū)等。字符設備不經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩沖，而塊設備則需經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩沖。此外，Linux下還存在一類外設，即“網(wǎng)絡設備”，網(wǎng)絡設備主要針對數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送而設計，它并不對應于文件系統(tǒng)的節(jié)點。PCI驅(qū)動通常可以看做字符設備的驅(qū)動來設計。

　　Linux的操作過程分為兩個步驟：首先用PCI驅(qū)動將內(nèi)核與設備掛接起來；緊接著通過應用程序來根據(jù)設備文件所屬類型并通過驅(qū)動提供的接口函數(shù)來操作設備。這使得PCI驅(qū)動至少應該包含兩部分內(nèi)容：一是PCI設備驅(qū)動，二是具體設備本身的驅(qū)動。

　　Linux系統(tǒng)啟動后會自動檢測PCI設備信息，并分別記錄在pci_dev結(jié)構(gòu)體中形成一個PCI設備鏈表pci_devices。這個結(jié)構(gòu)體記錄了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，PCI驅(qū)動就是根據(jù)廠商ID和設備ID來連接設備并加載驅(qū)動的。

　　驅(qū)動加載以后，為了操作設備文件，Linux會在include／linux／fs．h中提供一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operaTIons，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可向Linux文件系統(tǒng)注冊一組文件操作，以定義設備提供的諸如open、close、read、write等操作，內(nèi)核則將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序所提供的函數(shù)。

　　3 PCI9054驅(qū)動的實現(xiàn)

　　Linux下設備驅(qū)動程序的編寫應遵循一定的框架結(jié)構(gòu)進行，大致可分為模塊的加載與卸載、設備的初始化、設備的打開及操作、中斷處理和設備的釋放等幾部分。

　　3．1 模塊的加載與初始化

　　當Linux內(nèi)核啟動時，會完成對所有PCI設備的掃描、登錄和資源分配等初始化操作，并建立起所有PCI設備的拓撲結(jié)構(gòu)，此后，在加載PCI驅(qū)動程序時，就會通過加載驅(qū)動程序模塊入口跳轉(zhuǎn)到設備初始化模塊。Linux2．4內(nèi)核與Linux2．6內(nèi)核的初始化方式是不同的，在Linux-2．4內(nèi)核中，初始化程序首先會使用pci_present函數(shù)來判斷PCI總線是否被內(nèi)核支持，然后使用register_chrdev函數(shù)來注冊設備，這樣就可以輪詢PCI總線上的設備，并利用pci_find_device函數(shù)檢查設備是否插在總線插槽上。如果在，則保存其所占用的插槽位置信息，并返回pci_dev結(jié)構(gòu)，然后將pci_dev結(jié)構(gòu)加入到設備鏈表中，直到輪詢完畢。圖1所示是Linux下PCI驅(qū)動程序的流程圖。

　　3．2 設備的打開及操作

　　通過上述步驟，系統(tǒng)內(nèi)核就可以發(fā)現(xiàn)并打開設備了。設備打開模塊中主要完成檢查讀寫模式以及申請對設備的控制權等工作。同時可分配并填private_data數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、申請PCI設備I／O資源的占用、申請中斷、注冊中斷處理程序。

　　Linux是以操作文件的方式來操作設備的，也就是通過系統(tǒng)定義的file_operation結(jié)構(gòu)體向Linux文件系統(tǒng)注冊一些操作設備的函數(shù)。其file_operation結(jié)構(gòu)體的定義如下：

　　當應用程序?qū)υO備文件進行諸如open、close、read、write等操作時，Linux內(nèi)核將通過file_operation結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)。

　　簡單的讀寫任務直接用read、write函數(shù)就可以完成，而復雜的控制則需要使用ioctl函數(shù)。ioctl函數(shù)是設備驅(qū)動程序中對設備的I／O通道進行管理的函數(shù)，可以對設備的一些特性進行控制。因此，為實現(xiàn)對PCI設備各種I／O資源的訪問和實現(xiàn)不同的傳輸方式，通常都需要使用ioc-tl函數(shù)，驅(qū)動程序的ioctl控制命令差不多完全是用一個switch語句來實現(xiàn)的，可實現(xiàn)初始化信息的初始化控制、讀寫配置空間、讀寫I／O端口地址空間、讀寫I／O內(nèi)存空間、DMA傳輸?shù)榷喾N控制操作。

3．3 中斷處理

　　Linux將中斷處理程序分解為頂半部和底半部兩個半部。驅(qū)動程序在打開設備時，為系統(tǒng)安裝了中斷處理程序，當硬件設備觸發(fā)中斷時，中斷處理程序首先調(diào)用頂半部程序以判斷中斷類型，對中斷類型的判斷可通過訪問PCI設備處理中斷的寄存器來實現(xiàn)。當有中斷信號來臨時，驅(qū)動程序?qū)⒅袛嗵幚砣蝿张胚M任務隊列中進行“登記”并清除中斷標志，這樣做的目的是占用較少的內(nèi)核時間，然后再通過調(diào)度底半部來運行，這樣，內(nèi)核負責底半部的函數(shù)就會處理任務隊列中的中斷任務。可以說，底半部幾乎做了中斷處理程序所有的事情。

　　驅(qū)動程序在設備驅(qū)動對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中為中斷處理定義了一個任務隊列Task_DpcForIsr，并將其rouTIne參數(shù)設置為負責底半部的函數(shù)，data參數(shù)設置為傳遞給底半部函數(shù)的參數(shù)，這樣，當系統(tǒng)獲得中斷信號時，驅(qū)動程序就可將中斷處理任務排進該任務隊列中，以提供給底半部應用。

　　3．4 釋放設備模塊及卸載

　　釋放設備模塊主要負責釋放對設備的控制權，同時釋放所占用的內(nèi)存和中斷等。具體來說，首先是釋放對設備的控制權。即對設備控制權的釋放，這只需簡單地將控制設備控制權的信號量釋放即可。在Linux下可使用up，其調(diào)用形式是up(&sem)，它可遞增信號量的值，并換醒所有正在等待信號量轉(zhuǎn)為可用狀態(tài)的進程。其次是釋放由open分配的、保存在filp->private_data中的所有內(nèi)容，將其值設為NULL。接著釋放中斷。最后釋放PCI設備I／O資源的占用權。對PCI設備的I／O端口資源而言，實現(xiàn)I／O端口資源占有權的釋放是通過release_region函數(shù)來完成的，而對于I／O內(nèi)存資源，則需要使用iounmap函數(shù)同時釋放其內(nèi)存映射。

　　4 Linux下驅(qū)動模塊的加載

　　Linux下驅(qū)動程序模塊的加載通常有靜態(tài)加載和動態(tài)加載兩種方式。動態(tài)加載是利用Linux的module特性，在系統(tǒng)啟動后使用insmode命令把驅(qū)動程序(．o文件)添加上去，然后通過rmmod命令卸載，這種加載方式有利于程序的調(diào)試，可以隨時更改；靜態(tài)加載就是把驅(qū)動程序直接編譯到內(nèi)核里，在系統(tǒng)啟動后直接調(diào)用，顯然這種方式對于調(diào)試階段的程序比較麻煩，而且效率較低，因而只適用于最終版本的程序。因此，程序開發(fā)者通常先用動態(tài)加載方式來調(diào)試，調(diào)試完畢后，再編譯到內(nèi)核里使用。

　　靜態(tài)加載時，通常先把驅(qū)動程序原文件放在內(nèi)核驅(qū)動相應類型的文件夾下，這里的PCI驅(qū)動屬于字符類型，可拷貝到…＼linux-2．4．x＼drivers＼char下。然后再更改…＼linux-2．4．x＼drivers＼char＼Makefile文件，并添加如下語句：

　　這樣做的目的是根據(jù)編譯選項$( CON-FIG_PLX9054)來決定是否要添加設備驅(qū)動。

　　之后，再在…＼linux-2．4．x＼drivers＼char＼Config．in中添加語句tristate’PLX9054 Support’CONFIG_PLX9054，這樣就可以在運行menuconfig時產(chǎn)生與設備對應的編譯選項，圖2所示是其編譯選項界面圖。圖中，在前面的尖括號中點Y表示靜態(tài)加載，點M表示作為模塊動態(tài)加載。

　　最后，運行make menuconfig，剪切內(nèi)核，并選中需要的模塊所對應的編譯選項，編譯內(nèi)核。

　　5 驅(qū)動程序的測試

　　由于所編寫的驅(qū)動程序是在PLX官方驅(qū)動的基礎上得來的，因此，在這里，為了方便測試起見，也應使用PLX公司的SDK包中的測試程序來查看PCI9054的配置情況，圖3所示為五個基址寄存器的映射情況。圖4所示為公共緩沖區(qū)的映射情況示意圖。

　　6 結(jié)束語

　　本文首先介紹了在Linux下開發(fā)PCI驅(qū)動的方法，然后介紹了如何將驅(qū)動靜態(tài)編譯到內(nèi)核，這種方法非常適用于開發(fā)以Linux作為嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動程序。可以看出，由于Linux系統(tǒng)完全開源，其驅(qū)動程序較Windows下的驅(qū)動程序簡單易懂，框架感更強。此外，由于其具有豐富的開源資源，故其開發(fā)成本較低。因此，我們有理由相信，Linux在未來的操作系統(tǒng)市場中的地位會變得越來越重要。