linux设备驱动之pci设备的驱动架构
2024-06-03 20:46:06
驱动工程师最关心就是如何编写PCI设备驱动了.
经过前面的处理,所有设备及其信息都已经遍历出来了.在深入分析PCI驱动架构之前,我们来回顾一下前面遍历PCI设备时,对pci_dev->dev的一些重要成员的赋值.以及各结构在sysfs中的视图
8.1:pci架构在sysfs中视图
1:对于pci_dev
pci_dev->dev的所属bus,parent和name的赋值:
在pci_scan_child_bus() --> pci_scan_slot()--> pci_scan_single_device()-->pci_scan_device():
……
dev->dev.parent = bus->bridge;
dev->dev.bus = &pci_bus_type;
……
pci_scan_child_bus()-->pci_scan_slot()-->pci_scan_single_device()-->pci_scan_device()-->pci_setup_device()
……
sprintf(pci_name(dev), "%04x:%02x:%02x.%d", pci_domain_nr(dev->bus),
dev->bus->number, PCI_SLOT(dev->devfn), PCI_FUNC(dev->devfn));
……
由此可见.对于所有的pci_dev.它的所属bus全为pci_bus_type.它的name部份由四个部份组成:所属的总线域(根据代码 看,好像总线域一直都是0.不知道是x86平台是样子,还是我忽略掉了很多东西?),总线号,设备号和功能号.它的parent为 bus->bridge.
既然看一下bus->bridge的赋值:
对于根总线:
pci_scan_bus_parented()-->pci_create_bus():
……
memset(dev, 0, sizeof(*dev));
dev->parent = parent;
dev->release = pci_release_bus_bridge_dev;
sprintf(dev->bus_id, "pci%04x:%02x", pci_domain_nr(b), bus);
error = device_register(dev);
if (error)
goto dev_reg_err;
b->bridge = get_device(dev);
……
从上面的代码片段可以看出.根总线的bridge的赋值情况.对于第一根根总线.对于根总线的name:由pci+两部份组成.分别是总线域和根总线号.
对于下层总线:
pci_scan_bridge()-->pci_add_new_bus()àpci_alloc_child_bus():
……
child->self = bridge;
child->parent = parent;
child->ops = parent->ops;
child->sysdata = parent->sysdata;
child->bus_flags = parent->bus_flags;
child->bridge = get_device(&bridge->dev);
……
从上面的代码看到.下层总线的bridge对应于它的pci-pci bridge.
我们到/sys下面看看,来论证我们的分析:
[root@localhost /]# cd /sys/device
[root@localhost devices]# ls
isa LNXSYSTM:00 pci0000:00 platform pnp0 pnp1 system
可以看到,在/sys/device下有一个名为pci0000:00的结点.根据上面的分析,这就是第一条根总线.另外,也看可以看到,我的机器上只有一条根总线.
[root@localhost devices]# cd pci0000\:00/
[root@localhost pci0000:00]# ls
0000:00:00.0 0000:00:07.0 0000:00:07.2 0000:00:0f.0 0000:00:11.0 pci_bus:0000:00 uevent
0000:00:01.0 0000:00:07.1 0000:00:07.3 0000:00:10.0 0000:00:12.0 power
下面以0000开头的,对应了根总线下的所有设备.其它的文件是在pci_bus_add_device()生成的.我们暂且不要管它们.
再来看一看,下面有没有pci-pci bridge.
[root@localhost pci0000:00]# tree
.
|-- 0000:00:00.0
| |-- broken_parity_status
| |-- bus -> ../../../bus/pci
| |-- class
| |-- config
| |-- device
| |-- driver -> ../../../bus/pci/drivers/agpgart-intel
| |-- enable
| |-- irq
| |-- local_cpus
| |-- modalias
| |-- msi_bus
| |-- power
| | `-- wakeup
| |-- resource
| |-- resource0
| |-- subsystem -> ../../../bus/pci
| |-- subsystem_device
| |-- subsystem_vendor
| |-- uevent
| `-- vendor
|-- 0000:00:01.0
| |-- broken_parity_status
| |-- bus -> ../../../bus/pci
| |-- class
| |-- config
| |-- device
| |-- enable
| |-- irq
| |-- local_cpus
| |-- modalias
| |-- msi_bus
| |-- pci_bus:0000:01 -> ../../../class/pci_bus/0000:01
| |-- power
| | `-- wakeup
| |-- resource
| |-- subsystem -> ../../../bus/pci
| |-- subsystem_device
| |-- subsystem_vendor
| |-- uevent
| `-- vendor
……
……
由于输出较长,我把后面的省略掉了.
用tree命令看到，在下层目录中，并没有对应0000开头的文件．（为什么是0000开头呢？因为同一根总线下的所有设备．根总线域是相同的 ^_^）.那说明，下层总线没有任何的设备．我们在些还不能够确有没有下层总线．因为可能有这样的情况：有下层总线，但下层总线上没有挂上任何设备.
2:pci_bus.
pci_bus在sysfs的存放和pci_dev是不相同的.我们跟踪代码看一下:
根总线的pci_bus初始化如下所示:
pci_create_bus():
……
b->dev.class = &pcibus_class;
b->dev.parent = b->bridge;
sprintf(b->dev.bus_id, "%04x:%02x", pci_domain_nr(b), bus);
……
我们可以看到,pci_bus是属于pcibus_class的.它的父结点为b->bridge. b->bridge我们在上面已经分析过了.它的名称为总线域+总线号.
对于下级总线,初始化如下所示:
……
child->parent = parent;
……
child->dev.class = &pcibus_class;
sprintf(child->dev.bus_id, "%04x:%02x", pci_domain_nr(child), busnr);
…….
我们可以看到,它的parent为它的上层总线,属于pcibus_class类.另外,名称为总线域+总线号
在sysfs中论证一下我们刚才的分析:
[root@localhost linux-2.6.25]# cd /sys/class/pci_bus/
[root@localhost pci_bus]# ll
total 0
drwxr-xr-x 3 root root 0 08-21 05:41 0000:00
drwxr-xr-x 3 root root 0 08-21 05:41 0000:01
可以看出.有两个pci 总线.用tree命令看下:
|-- 0000:00
| |-- cpuaffinity
| |-- device -> ../../../devices/pci0000:00
| |-- power
| | `-- wakeup
| |-- subsystem -> ../../pci_bus
| `-- uevent
`-- 0000:01
|-- cpuaffinity
|-- device -> ../../../devices/pci0000:00/0000:00:01.0
|-- power
| `-- wakeup
|-- subsystem -> ../../pci_bus
`-- uevent
从device的指向可以看出. 0000:00的parent为/sys/device/pci0000:00.即为第一根根总线
0000:01的parent为/sys/devices/pci0000:00/0000:00:01.0
综合上面的分析,我们看到得出这样的结论:
测试的PC上只有一根根总线,根总线下面有一个次总线.次总线下面没有设备.
8.2:pci驱动架构初始化:
Pci驱动架构的初始化如下所示:
static int __init pci_driver_init(void)
{
return bus_register(&pci_bus_type);
}
postcore_initcall(pci_driver_init);
即初始化了一个名为pci_bus的总线.其初始化如下示:
struct bus_type pci_bus_type = {
.name = "pci",
.match = pci_bus_match,
.uevent = pci_uevent,
.probe = pci_device_probe,
.remove = pci_device_remove,
.suspend = pci_device_suspend,
.suspend_late = pci_device_suspend_late,
.resume_early = pci_device_resume_early,
.resume = pci_device_resume,
.shutdown = pci_device_shutdown,
.dev_attrs = pci_dev_attrs,
};
上面的几个接口,我们等用到的时候再进行分析.
注册一个pci driver的接口为:
pci_register_driver():代码如下所示:
pci_register_driver()à__pci_register_driver():
int __pci_register_driver(struct pci_driver *drv, struct module *owner,
const char *mod_name)
{
int error;
/* initialize common driver fields */
drv->driver.name = drv->name;
drv->driver.bus = &pci_bus_type;
drv->driver.owner = owner;
drv->driver.mod_name = mod_name;
spin_lock_init(&drv->dynids.lock);
INIT_LIST_HEAD(&drv->dynids.list);
/* register with core */
error = driver_register(&drv->driver);
if (error)
return error;
error = pci_create_newid_file(drv);
if (error)
driver_unregister(&drv->driver);
return error;
}
Pci_driver的结构如下所示:
struct module;
struct pci_driver {
struct list_head node;
char *name;
const struct pci_device_id *id_table; /* must be non-NULL for probe to be called */
int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id); /* New device inserted */
void (*remove) (struct pci_dev *dev); /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */
int (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state); /* Device suspended */
int (*suspend_late) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);
int (*resume_early) (struct pci_dev *dev);
int (*resume) (struct pci_dev *dev); /* Device woken up */
void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);
struct pci_error_handlers *err_handler;
struct device_driver driver;
struct pci_dynids dynids;
};
由此可见:pci_driver中封装了一个device_driver结构.pci_driver的注册过程,就是初始化 pci_driver封装的device-driver.然后将其注册的过程. Struct pci_driver这个结构成员的含义,在下面的分析中遇到的时候再进行分析.
我们注意到,在注册pci_driver的过程,将其封装的device_driver->bus赋值为pci_bus_type. 回忆一下,在遍历pci 设备的时候,也是将其bus设置为pci_bus-type.根据我们之前对设备模型的分析.注册pci_driver会对所有挂在 pci_bus_type的pci_dev产生一次probe事件.首先,它会调用 pci_bus_type->match()来匹配驱动对齐的设备.对应的接口如下所示:
static int pci_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
struct pci_dev *pci_dev = to_pci_dev(dev);
struct pci_driver *pci_drv = to_pci_driver(drv);
const struct pci_device_id *found_id;
found_id = pci_match_device(pci_drv, pci_dev);
if (found_id)
return 1;
return 0;
}
Pci_dev中封装了struct device. Pci_driver中封装了struct device_driver.根据它们的位置差,就可以进行struct device. Struct device-driver到pci_dev,pci_driver的转换.
然后调用pci_match_device().代码如下:
static const struct pci_device_id *pci_match_device(struct pci_driver *drv,
struct pci_dev *dev)
{
struct pci_dynid *dynid;
/* Look at the dynamic ids first, before the static ones */
spin_lock(&drv->dynids.lock);
list_for_each_entry(dynid, &drv->dynids.list, node) {
if (pci_match_one_device(&dynid->id, dev)) {
spin_unlock(&drv->dynids.lock);
return &dynid->id;
}
}
spin_unlock(&drv->dynids.lock);
return pci_match_id(drv->id_table, dev);
}
根据代码中的注释,可以得到,在匹配的过程中,会优先匹配drv-dynids的数据.如果匹配不同功,再去匹配drv->id-table.
struct pci_dynid定义如下所示:
struct pci_dynid {
struct list_head node;
struct pci_device_id id;
};
其中,node用来形成链表.struct pci_device_id定义如下所示:
struct pci_device_id {
__u32 vendor, device; /* Vendor and device ID or PCI_ANY_ID*/
__u32 subvendor, subdevice; /* Subsystem ID's or PCI_ANY_ID */
__u32 class, class_mask; /* (class,subclass,prog-if) triplet */
kernel_ulong_t driver_data; /* Data private to the driver */
};
看到这个结构里面的成员是不是觉得很熟悉?没错,pci驱动就是根据这些信息来匹配设备的.
具体的匹配过程是由pci_match_one_device()完成的.代码如下示:
static inline const struct pci_device_id *
pci_match_one_device(const struct pci_device_id *id, const struct pci_dev *dev)
{
if ((id->vendor == PCI_ANY_ID || id->vendor == dev->vendor) &&
(id->device == PCI_ANY_ID || id->device == dev->device) &&
(id->subvendor == PCI_ANY_ID || id->subvendor == dev->subsystem_vendor) &&
(id->subdevice == PCI_ANY_ID || id->subdevice == dev->subsystem_device) &&
!((id->class ^ dev->class) & id->class_mask))
return id;
return NULL;
}
由此可以看出,必须vendor, device, subvendor, subdevice, class全部匹配才能认为该驱动和设备是匹配的.特别的,对于PCI_ANY_ID,表示任何该类型的设备.例如,如果id->vendor == PCI_ANY_ID,表示匹配任何厂商的设备.
如果匹配成功,就会调用所属bus的probe函数.相应接口如下所示:
static int pci_device_probe(struct device * dev)
{
int error = 0;
struct pci_driver *drv;
struct pci_dev *pci_dev;
drv = to_pci_driver(dev->driver);
pci_dev = to_pci_dev(dev);
pci_dev_get(pci_dev);
error = __pci_device_probe(drv, pci_dev);
if (error)
pci_dev_put(pci_dev);
return error;
}
同理,还是先转换到封装的结构.然后调用__pci_device_probe().代码如下所示:
static int
__pci_device_probe(struct pci_driver *drv, struct pci_dev *pci_dev)
{
const struct pci_device_id *id;
int error = 0;
if (!pci_dev->driver && drv->probe) {
error = -ENODEV;
id = pci_match_device(drv, pci_dev);
if (id)
error = pci_call_probe(drv, pci_dev, id);
if (error >= 0) {
pci_dev->driver = drv;
error = 0;
}
}
return error;
}
如果pci_dev被成功的驱动,就会就pci_dev->driver指向它所属的驱动.在这里,第一次匹配设备的时候,设备是没有被驱动的.然后,再次确认pci_dev和pci_driver匹配之后,转入pci_call_probe ().代码如下:
static int pci_call_probe(struct pci_driver *drv, struct pci_dev *dev,
const struct pci_device_id *id)
{
int error;
#ifdef CONFIG_NUMA
/* Execute driver initialization on node where the
device's bus is attached to. This way the driver likely
allocates its local memory on the right node without
any need to change it. */
struct mempolicy *oldpol;
cpumask_t oldmask = current->cpus_allowed;
int node = pcibus_to_node(dev->bus);
if (node >= 0 && node_online(node))
set_cpus_allowed(current, node_to_cpumask(node));
/* And set default memory allocation policy */
oldpol = current->mempolicy;
current->mempolicy = NULL; /* fall back to system default policy */
#endif
error = drv->probe(dev, id);
#ifdef CONFIG_NUMA
set_cpus_allowed(current, oldmask);
current->mempolicy = oldpol;
#endif
return error;
}
上面代码中,我们忽略一些选择编译的东东,然后就非常清楚了.它就是将probe操作回溯到pci_driver的probe函数中.
另外,我们可以看到,pci_bus_type的很多函数都是这样处理的.
再来关心一下hotplug事件.每注册pci_dev 的时候都会调用pci_bus_type的uevent函数.代码如下:
int pci_uevent(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env)
{
struct pci_dev *pdev;
if (!dev)
return -ENODEV;
pdev = to_pci_dev(dev);
if (!pdev)
return -ENODEV;
if (add_uevent_var(env, "PCI_CLASS=%04X", pdev->class))
return -ENOMEM;
if (add_uevent_var(env, "PCI_ID=%04X:%04X", pdev->vendor, pdev->device))
return -ENOMEM;
if (add_uevent_var(env, "PCI_SUBSYS_ID=%04X:%04X", pdev->subsystem_vendor,
pdev->subsystem_device))
return -ENOMEM;
if (add_uevent_var(env, "PCI_SLOT_NAME=%s", pci_name(pdev)))
return -ENOMEM;
if (add_uevent_var(env, "MODALIAS=pci:v%08Xd%08Xsv%08Xsd%08Xbc%02Xsc%02Xi%02x",
pdev->vendor, pdev->device,
pdev->subsystem_vendor, pdev->subsystem_device,
(u8)(pdev->class >> 16), (u8)(pdev->class >> 8),
(u8)(pdev->class)))
return -ENOMEM;
return 0;
}
从此可以看出.它会将class, vendor, device放到hotplug的环境变量中.我们从sysfs中验证一下.
根据我们前面的分析.bus/device/event这个文件会将bus添加的环境变量列出来.进一个pci devcie的目录:
Cd /sys/bus/pci/ devices
上面显示了注册到pci_bus_type上的设备.
然后:
[root@localhost devices]# cat 0000\:00\:00.0/uevent
DRIVER=agpgart-intel
PHYSDEVBUS=pci
PHYSDEVDRIVER=agpgart-intel
PCI_CLASS=60000
PCI_ID=8086:7190
PCI_SUBSYS_ID=15AD:1976
PCI_SLOT_NAME=0000:00:00.0
MODALIAS=pci:v00008086d00007190sv000015ADsd00001976bc06sc00i00
[root@localhost devices]#
这样就验证了我们刚才所说的.
到此为至.对pci架构分析已经清楚了.再来看一下,在pci驱动中经常所用到的接口函数.
8.3:pci驱动程序常用接口分析:
Linux内核开发人员建议PCI驱动程序,在使用设备的时候pci_enable_device().在关闭的时候pci_disable_device ().
pci_enable_device()这个函数其实我们在分析pci设备资源分配的时候就已经讨论过,只是那时候没有给出详细的分析.
代码如下:
int pci_enable_device(struct pci_dev *dev)
{
return __pci_enable_device_flags(dev, IORESOURCE_MEM | IORESOURCE_IO);
}
static int __pci_enable_device_flags(struct pci_dev *dev,
resource_size_t flags)
{
int err;
int i, bars = 0;
//如果enable_cnt 已经大于1.则说明它已经被启用了
if (atomic_add_return(1, &dev->enable_cnt) > 1)
return 0; /* already enabled */
//对需要设置的资源项都在bars中置位
for (i = 0; i < DEVICE_COUNT_RESOURCE; i++)
if (dev->resource[i].flags & flags)
bars |= (1 << i);
//启用该设备
err = do_pci_enable_device(dev, bars);
//如果分配失败.递减enable_cnt
if (err < 0)
atomic_dec(&dev->enable_cnt);
return err;
}
对照添加在代码中的注释.应该不难理解.跟进do_pci_enable_device():
static int do_pci_enable_device(struct pci_dev *dev, int bars)
{
int err;
//更改设备的电源状态.可能设备之前处于suspended状态
err = pci_set_power_state(dev, PCI_D0);
if (err < 0 && err != -EIO)
return err;
//启用设备
err = pcibios_enable_device(dev, bars);
if (err < 0)
return err;
//一些平台的修正函数
pci_fixup_device(pci_fixup_enable, dev);
return 0;
}
pcibios_enable_device()函数代码如下所示:
int pcibios_enable_device(struct pci_dev *dev, int mask)
{
int err;
if ((err = pcibios_enable_resources(dev, mask)) < 0)
return err;
if (!dev->msi_enabled)
return pcibios_enable_irq(dev);
return 0;
}
这个函数会启用设备的相关存储区.然后调用pcibios_enable_irq()启用设备的中断.这个过程包括到PIR中取得中断号,并开启中断功能.
PCI学习部份小结:
Pci是一个庞大的工程,由于PCI总线结构的特性,代码中大量采用了深度优先遍历算法.完全理解这部份代码首先需要对PCI的体系结构要一个较为深刻的认识.其实这部份的重点和难点是在对PCI设备的遍历上.其它后续的步骤都是在遍时生成树的基础上完成的.
这个复杂的一个结构,展再在驱动工程师面前却非常简单.只需要按部就班的就pci_driver中的接口完成就可以了.
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