引言

Linux是非常優(yōu)秀的開源操作系統(tǒng)，有著十分廣泛的應用。基于該操作系統(tǒng)設備驅(qū)動程序的需求越來越多。PCI作為一種廣泛采用的總線標準，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設備。為此，本文介紹了Linux下無配置信息PCI設備驅(qū)動程序的設計開發(fā)方法。

1 PCI總線及無配置信息PCI設備

1.1 PCI總線

PCI是外圍設備互連（Peripheral ComponentInterconnect）的簡稱，是一種通用的總線接口標準，原先是應用于計算機系統(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算機系統(tǒng)中的外圍設備以一種結(jié)構(gòu)化和可控化的方式連接在一起。該規(guī)范同時詳細定義了計算機系統(tǒng)中各個不同部件之間應該如何正確地進行交互。在一般的計算機系統(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橋的設備來完成同總線子系統(tǒng)的交互，圖1所示是一個PCI子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

盡管目前PCI設備大多采用32位數(shù)據(jù)總線，但PCI規(guī)范中已經(jīng)給出了64位的擴展實現(xiàn)方案，從而使PCI總線能夠更好地實現(xiàn)平臺無關性。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、獨立于處理器、兼容性強、預留了發(fā)展空間、低成本、高效益、軟件透明等等。

1.2 PCI設備的配置空間

標準的PCI設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設備上的所有地址空間，其中I／O空間和存儲空間提供給設備驅(qū)動程序使用，主要用來實現(xiàn)PCI設備和Linux內(nèi)核中設備驅(qū)動程序之間的通訊。而配置空間則裝載著PCI設備的配置信息，主要由Linux內(nèi)核中的PCI初始化代碼使用。PCI設備的配置信息空間如圖2所示。

標準PCI設備配置信息空間的大小為256個字節(jié)，其中低64個字節(jié)稱為頭標區(qū)，這部分區(qū)域的格式是固定的。內(nèi)容包括PCI設備號、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個字節(jié)稱為設備有關區(qū)，不同的設備可以對這部分寄存器進行不同的定義。

1.3 無配置信息的PCI設備

目前的嵌人式系統(tǒng)往往會要求CPU和專用數(shù)據(jù)運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)運算器往往是針對某一系統(tǒng)設計的，通常會采用FPGA設計。即在FPGA中添加進PCI的接口設計，也就是把FPGA設計成為一塊PCI設備。但是由于嵌入式系統(tǒng)的局限性，在某些FPGA的PCI接口設計中不能劃分配置信息空間（I／O空間和存儲空間是設備與CPU信息交互的基礎，是必須存在的），因此這個設計也就是一塊無配置信息的PCI設備。

2 Linux設備驅(qū)動程序

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

2.1 設備的注冊與注銷

向系統(tǒng)增加一個驅(qū)動程序就要賦予它一個主設備號，這一賦值過程應該在驅(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設備驅(qū)動程序名，這個名字必須插入到／dev目錄中，并與驅(qū)動程序的主設備號和次設備號相連。獲得主設備號的方法是選擇一個當前不用的設備號，或者在調(diào)用register_chrdev時讓參數(shù)ma-jor為0，這樣，其返回值便是設備的主設備號。另外，在關閉字符設備或塊設備時，還需要通過unregisler_chrdev（）或unregister_blkdev（）從內(nèi)核中注銷設備，并釋放主設備號。

2.2 設備的打開與釋放

打開設備可由open（）完成。在大部分驅(qū)動程序中，open主要用于檢查設備相關錯誤（如設備尚未準備好等）、識別次設備號（如有必要更新當前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，并在最后一次關閉操作時關閉設備。

2.3 設備的讀寫操作

字符設備使用各自的read（）和write （）來對設備進行數(shù)據(jù)讀寫。塊設備則使用通用block_read（）和block_write（）來對設備進行數(shù)據(jù)讀寫。這兩個通用函數(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)而不是對設備進行操作，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備，那么就需要真正地執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 設備的控制操作和中斷處理

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

3 無配置信息PCI設備驅(qū)動程序的設計

無配置信息PCI設備驅(qū)動程序設計的關鍵在于初始化，其余部分與標準PCI設備驅(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備。

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

在實際的系統(tǒng)應用中，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備。在這種方式下，若系統(tǒng)中沒有其它的即插即用PCI設備，則可能會導致檢測設備失敗，但事實上已經(jīng)注冊了該PCI設備，因此完全可以正常運行。

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的設計中則包括PCI接口、sdram控制器及編碼調(diào)制運算模塊。

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，本設計在CPU和FPGA之間采用了PCI總線連接方式。由于FPGA的設計要求，PCI總線的中斷信號未被使用，而是另行設定了兩條中斷信號線通往MPC8250的通用設計口。該系統(tǒng)支持FPGA中bin文件的實時更新，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設備配置信息空間，所以，本設計采用在檢測PCI設備時直接注冊的方法。

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模塊是如何聯(lián)系起來的：

3.2 具體模塊的實現(xiàn)

由于本系統(tǒng)沒有采用標準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計比較重要的初始化設備過程以及打開設備模塊、讀寫模塊的設計方法。

（1） 初始化設備過程

初始化設備過程也是本系統(tǒng)PCI設備驅(qū)動中最為關鍵的部分。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（）和注冊設備子函數(shù)pci_rewin_de-vice_register（）里，筆者自己創(chuàng)建的PCI設備信息可以寫人到pci_dev，然后由Liunx內(nèi)核通過pci_register_drivet （）將此PCI設備信息創(chuàng)建在PCI設備列表中。

（2） 打開設備模塊

打開設備模塊主要用來檢查設備號、開辟PCI總線映射空間。打開設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設備用I／O方式讀寫的時候，CPU將被迫停止工作以等待PCI設備完成此操作，且每次只允許一個設備訪問。這個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的地方。

4 結(jié)束語

本文討論了Linux2.6版本下開發(fā)設備驅(qū)動程序的原理和相關知識。著重介紹了無配置信息PCI設備驅(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)性能并進行改進。

責任編輯：gt