摘  要： 以一個(gè)具體的PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)過(guò)程為基礎(chǔ)，總結(jié)了與PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的相關(guān)問(wèn)題，詳細(xì)闡述了基本開(kāi)發(fā)步驟、具體實(shí)現(xiàn)、驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)核塊的加載以及用戶進(jìn)程和驅(qū)動(dòng)程序的協(xié)同工作問(wèn)題。
　　關(guān)鍵詞： PCI設(shè)備  設(shè)備驅(qū)動(dòng)  中斷

1 Linux 系統(tǒng)下設(shè)備驅(qū)動(dòng)的概念
　　在Linux操作系統(tǒng)下，系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口[2]。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。這樣在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)文件，即特殊的設(shè)備文件。因此應(yīng)用程序通過(guò)特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以像操作普通文件一樣對(duì)具體的硬件設(shè)備進(jìn)行操作。應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的關(guān)系如圖1所示。

　　在Linux操作系統(tǒng)下有二種主要的設(shè)備文件類型，一種是字符設(shè)備，另一種是塊設(shè)備。每種設(shè)備文件和實(shí)際的硬件相聯(lián)系。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是：字符設(shè)備在寫請(qǐng)求的同時(shí)，實(shí)際的硬件I/O操作便發(fā)生了。塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求讀/寫時(shí)，它首先察看緩沖區(qū)的內(nèi)容。如果緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，以免等待時(shí)耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間。
　　就特定的PCI卡，用戶可根據(jù)用途來(lái)確定是將其作為塊設(shè)備，還是字符設(shè)備來(lái)處理。本文根據(jù)實(shí)際工作中所用到的PCI采集卡的特點(diǎn)，簡(jiǎn)要闡述了其驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題和基本步驟。
2  Linux系統(tǒng)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)
2.1 基本需求分析 
　　根據(jù)設(shè)備不同的用途，可以區(qū)分不同的PCI設(shè)備類型。基于這一設(shè)備類型，又可以分析出其他一些基本需求。從本文所使用的數(shù)據(jù)采集卡可知，其主要用途是用于采集和控制。根據(jù)工控過(guò)程的特點(diǎn)，需要PCI采集卡在每采樣一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，就以中斷的方式交給內(nèi)核緩沖，再由用戶程序適時(shí)取出使用。因此，將PCI采集卡作為一個(gè)字符設(shè)備來(lái)處理，并選擇觸發(fā)模式為內(nèi)觸發(fā)，數(shù)據(jù)傳送模式為中斷傳送。本文就是基于這樣的需求，按如下所述的步驟和具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，開(kāi)發(fā)了其驅(qū)動(dòng)程序。
2.2 基本步驟
　　(1)PCI設(shè)備文件的建立
　　既然PCI設(shè)備被操作系統(tǒng)當(dāng)作特殊的文件來(lái)看，就要有個(gè)文件名。因此，建立一設(shè)備文件的名字來(lái)代表硬件設(shè)備是開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)的第一步。按照習(xí)慣，設(shè)備文件都放在系統(tǒng)目錄/dev下。一般在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于要經(jīng)常查看設(shè)備文件的狀態(tài)，而在這一目錄下已經(jīng)有很多設(shè)備文件，查看起來(lái)特別不方便，因此，可以自己在某個(gè)地方建立一個(gè)文件夾，將該設(shè)備文件放在該文件夾下。使用mknod命令可以建立設(shè)備特殊文件（注意：只有root賬號(hào)的超級(jí)用戶才能使用些命令），其格式示例為：
　　＄mknod  /subfolders/mydev/PCIdrv   c  254  0
　　也就是用主設(shè)備號(hào)254（一般在Linux操作系統(tǒng)下設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)不會(huì)超過(guò)254，所以選用254，以確保該設(shè)備號(hào)是惟一的）和輔助設(shè)備號(hào)0在目錄/subfolders/mydev下建立特殊設(shè)備文件PCIdrv。
　　(2)file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就是一組能完成特定任務(wù)的、在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行的子函數(shù)的集合。每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都有一個(gè)被稱作file_operation的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)管理、組織這些子函數(shù)。該結(jié)構(gòu)包含了指向驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部這些子函數(shù)的指針。當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)。它有二個(gè)任務(wù)要完成：(1)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用的主設(shè)備號(hào)通知內(nèi)核；(2)初始化函數(shù)將file_operation指針傳送給內(nèi)核。基本結(jié)構(gòu)為：
　　struct file_operations PCI_fops={NULL，PCIread，
　　PCIwrite，NULL，NULL，NULL，NULL，
　　PCIopen，PCIrelease，NULL，NULL}；
　　結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)非NULL成員的名字都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用在對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如讀/寫操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過(guò)設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。這是Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工作的基本流程。例如：當(dāng)用戶進(jìn)程執(zhí)行open( )調(diào)用時(shí)，open( )執(zhí)行體將根據(jù)open所帶的參數(shù)找到PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并根據(jù)其相關(guān)聯(lián)的PCI_fops數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，找到PCIopen子函數(shù)的入口點(diǎn)，接著就執(zhí)行PCIopen函數(shù)體。
　　(3)編寫驅(qū)動(dòng)程序子函數(shù)
　　file_operation的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所定義的子函數(shù)的集合構(gòu)成了具體的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行體。因此編寫驅(qū)動(dòng)程序子函數(shù)是開(kāi)發(fā)過(guò)程中最為重要的一步，這些子函數(shù)要根據(jù)具體的需求來(lái)設(shè)計(jì)。工作中用到的PCI采集卡的主要功能函數(shù)有：A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)AD_INT_Start、AD_INT_Stop、AD_INT_Data，數(shù)字量采集與輸出函數(shù)DI_Data、DO_Data，D/A轉(zhuǎn)換函數(shù)AO_Data等。這里不予贅述。
2.3 PCI采集卡驅(qū)動(dòng)程序的具體實(shí)現(xiàn)
　　(1)獲取PCI采集卡的基本配置信息
　　PCI采集卡的驅(qū)動(dòng)程序主要是完成對(duì)采集卡的寄存器和PCI總線控制器的PCI配置空間的設(shè)置和讀取，用以啟動(dòng)采集卡，并按照一定的方式進(jìn)行采集、傳送、停止等。若要對(duì)這些寄存器進(jìn)行設(shè)置和讀取，就要知道這些寄存器的BaseAddress和偏移值、中斷號(hào)等相關(guān)配置信息。這是對(duì)硬件操作的第一步。Linux操作系統(tǒng)對(duì)PCI設(shè)備提供了大量的初始化函數(shù)(這一點(diǎn)不同于Dos和Windows)。因此，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，這特定的初始化函數(shù)會(huì)被調(diào)用，用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)中存在的所有的PCI設(shè)備，并填充PCI設(shè)備的配置空間。因此，在開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，只要執(zhí)行相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用(由系統(tǒng)提供），就可獲得所需要的PCI設(shè)備信息。
下面是幾個(gè)常用的內(nèi)核函數(shù)：
　　①pcibios_present( )
　　②int pcibios_find_device(int device_id，int vendor_id，
int index，int*bus_number，int*device_function)
    ③read_config_byte，read_config_word，read_config_dword
    ④write_config_byte，write_config_word，write_config_dword
    函數(shù)①的功能是：返回一個(gè)布爾值表明所運(yùn)行的計(jì)算機(jī)是否具有支持PCI設(shè)備的能力；函數(shù)②的功能是：返回設(shè)備在總線上的位置及函數(shù)指針bus_number、device_function；函數(shù)③、④的功能是：通過(guò)調(diào)用該類函數(shù)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)寄存器空間的訪問(wèn)，包括讀和寫。
　　(2)內(nèi)存操作
　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)的子函數(shù)運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中動(dòng)態(tài)開(kāi)辟和釋放內(nèi)存。用kmalloc或get_free_pages直接申請(qǐng)頁(yè)而不是用malloc和free；釋放內(nèi)存用的是kfree或free_pages。kmalloc等函數(shù)返回的是物理地址，而malloc等返回的是線性地址，且kmalloc最大只能開(kāi)辟128KB。
　　很多硬件需要一塊比較大的連續(xù)內(nèi)存用作DMA傳送，并且需要一直駐留在內(nèi)存，不能被交換到磁盤文件中去。但是kmalloc最多只能開(kāi)辟128KB的內(nèi)存，這可以通過(guò)犧牲一些系統(tǒng)內(nèi)存的方法來(lái)解決。具體做法是：若機(jī)器是32MB的內(nèi)存，在lilo.conf的啟動(dòng)參數(shù)中加上mem=30MB，這樣Linux就認(rèn)為此機(jī)器只有30MB的內(nèi)存，剩下的2MB內(nèi)存在vremap之后就可以為DMA所用。
　　(3)Linux下的中斷及中斷處理
　　Linux中的中斷處理程序很有特色。它的一個(gè)中斷處理程序可分為上半部（top half）和下半部(bottom half)二個(gè)部分。之所以會(huì)有上半部和下半部之分，完全是考慮到中斷處理的效率。上半部的功能是“登記中斷”，當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生時(shí)，它就把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中中斷例程的下半部掛到該設(shè)備的下半部執(zhí)行隊(duì)列中去，然后就等待新的中斷的到來(lái)。這樣一來(lái)，上半部執(zhí)行的速度就會(huì)很快，它就可以接受更多設(shè)備產(chǎn)生的中斷。上半部之所以要快，是因?yàn)樗峭耆帘沃袛嗟模绻粓?zhí)行完，其他的中斷就不能被及時(shí)處理，只能等到這個(gè)中斷處理程序執(zhí)行完畢以后。所以，要盡可能多地對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的中斷進(jìn)行服務(wù)和處理，確保中斷處理程序的速度。
要使用一個(gè)中斷，必須先向系統(tǒng)登記。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中斷登記的系統(tǒng)調(diào)用形式如下：
　　int request_irq(unsigned int irq，void(*handle)(int，void*，struct pt_regs*)，unsigned int long flags，const char*device)；
　　其中：irq是要申請(qǐng)的中斷號(hào)，handle是中斷處理函數(shù)指針，flags是中斷標(biāo)識(shí)，device是設(shè)備名。
　　如果登記成功，則返回0。這時(shí)在/proc/interrupts文件中可以看到自己請(qǐng)求的中斷。
　　(4)內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)下數(shù)據(jù)交換問(wèn)題
　　用戶進(jìn)程在執(zhí)行特定系統(tǒng)調(diào)用使用設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)就從用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行，這時(shí)用戶進(jìn)程的環(huán)境仍然可用。但在內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶進(jìn)程緩沖區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，必須要用內(nèi)核提供的專門函數(shù)。主要有：put_user( )，get_user( )，copy_to_user( )，copy_from_user( )等。
　　通過(guò)這些調(diào)用來(lái)使用用戶緩沖時(shí)還要進(jìn)行用戶緩沖讀寫權(quán)限的檢驗(yàn)，否則調(diào)用數(shù)據(jù)交換函數(shù)時(shí)會(huì)出錯(cuò)。檢驗(yàn)函數(shù)為：int verify_area(int access，void*u_addr，unsigned long size)。
3 將驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核
　　由于驅(qū)動(dòng)程序是在內(nèi)核下運(yùn)行，因此，要把編寫的驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動(dòng)程序可以按照二種方式編譯，一種是編譯進(jìn)kernel，另一種是編譯成模塊(modules)。如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)卸載，不利于調(diào)試。所以推薦使用模塊方式。這種方式可以用insmod命令來(lái)加載模塊和用rmmod來(lái)卸載模塊。
　　在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)核時(shí)，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個(gè)字符設(shè)備。register_chrdev需要三個(gè)參數(shù)：其一是希望獲得的設(shè)備號(hào)，如果為0，系統(tǒng)將選擇一個(gè)沒(méi)有被占用的設(shè)備號(hào)返回；其二是設(shè)備文件名；其三是用來(lái)登記驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)指針。如果登記成功，則返回設(shè)備的主設(shè)備號(hào)；若不成功，則返回一個(gè)負(fù)值。
　　下面是用模塊方法將驅(qū)動(dòng)程序加載進(jìn)內(nèi)核時(shí)用的主要功能函數(shù)體示例，也就是當(dāng)執(zhí)行inmod 命令時(shí)執(zhí)行的函數(shù)體。
　　int init_module(void)
　　{
   　　  int result；
     　　result=register_chrdev(254，″PCItest″，&PCI_fops)；
     　　if(result<0) {
  　　printk(KERN_INFO ″test：can′t get major number\n″)；
  　　return result；
     　　}
     　　if(PCItest==0) PCItest=result；/*dynamic*/
     　　return 0；
　　}
　　同樣可以用 rmmod 命令卸載模塊：
　　void cleanup_module(void)
　　{
    　　 unregister_chrdev(254，″PCItest″)；
　　}
　　在用rmmod卸載模塊時(shí)，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設(shè)備PCItest在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項(xiàng)。
4  結(jié)束語(yǔ)
　　設(shè)計(jì)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有一定的模式，遵循這個(gè)模式，將會(huì)大大減輕設(shè)計(jì)程序的工作量。本文總結(jié)了工作中對(duì)一種PCI采集卡的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)過(guò)程。同網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)相比，PCI采集卡驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)是一件相對(duì)簡(jiǎn)單的工作，但它們同屬于PCI設(shè)備，具有類似之處。所以，PCI采集卡的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序是很有幫助的。
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