摘  要： 以一個具體的PCI設備的驅(qū)動開發(fā)過程為基礎，總結(jié)了與PCI設備驅(qū)動開發(fā)的相關問題，詳細闡述了基本開發(fā)步驟、具體實現(xiàn)、驅(qū)動程序內(nèi)核塊的加載以及用戶進程和驅(qū)動程序的協(xié)同工作問題。
　　關鍵詞： PCI設備  設備驅(qū)動  中斷

1 Linux 系統(tǒng)下設備驅(qū)動的概念
　　在Linux操作系統(tǒng)下，系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應用程序之間的接口，設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口[2]。設備驅(qū)動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)。這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個文件，即特殊的設備文件。因此應用程序通過特定的設備驅(qū)動程序可以像操作普通文件一樣對具體的硬件設備進行操作。應用程序和設備驅(qū)動的關系如圖1所示。

　　在Linux操作系統(tǒng)下有二種主要的設備文件類型，一種是字符設備，另一種是塊設備。每種設備文件和實際的硬件相聯(lián)系。字符設備和塊設備的主要區(qū)別是：字符設備在寫請求的同時，實際的硬件I/O操作便發(fā)生了。塊設備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當用戶進程對設備請求讀/寫時，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，就返回請求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請求函數(shù)來進行實際的I/O操作。塊設備主要是針對磁盤等慢速設備設計的，以免等待時耗費過多的CPU時間。
　　就特定的PCI卡，用戶可根據(jù)用途來確定是將其作為塊設備，還是字符設備來處理。本文根據(jù)實際工作中所用到的PCI采集卡的特點，簡要闡述了其驅(qū)動程序開發(fā)過程中需要注意的問題和基本步驟。
2  Linux系統(tǒng)PCI設備驅(qū)動程序的開發(fā)
2.1 基本需求分析 
　　根據(jù)設備不同的用途，可以區(qū)分不同的PCI設備類型。基于這一設備類型，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)工控過程的特點，需要PCI采集卡在每采樣一個數(shù)據(jù)點時，就以中斷的方式交給內(nèi)核緩沖，再由用戶程序適時取出使用。因此，將PCI采集卡作為一個字符設備來處理，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現(xiàn)過程，開發(fā)了其驅(qū)動程序。
2.2 基本步驟
　　(1)PCI設備文件的建立
　　既然PCI設備被操作系統(tǒng)當作特殊的文件來看，就要有個文件名。因此，建立一設備文件的名字來代表硬件設備是開發(fā)驅(qū)動的第一步。按照習慣，設備文件都放在系統(tǒng)目錄/dev下。一般在開發(fā)過程中，由于要經(jīng)常查看設備文件的狀態(tài)，而在這一目錄下已經(jīng)有很多設備文件，查看起來特別不方便，因此，可以自己在某個地方建立一個文件夾，將該設備文件放在該文件夾下。使用mknod命令可以建立設備特殊文件（注意：只有root賬號的超級用戶才能使用些命令），其格式示例為：
　　＄mknod  /subfolders/mydev/PCIdrv   c  254  0
　　也就是用主設備號254（一般在Linux操作系統(tǒng)下設備文件的主設備號不會超過254，所以選用254，以確保該設備號是惟一的）和輔助設備號0在目錄/subfolders/mydev下建立特殊設備文件PCIdrv。
　　(2)file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
　　設備驅(qū)動程序就是一組能完成特定任務的、在內(nèi)核態(tài)下運行的子函數(shù)的集合。每個設備驅(qū)動程序都有一個被稱作file_operation的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理、組織這些子函數(shù)。該結(jié)構(gòu)包含了指向驅(qū)動程序內(nèi)部這些子函數(shù)的指針。當系統(tǒng)引導時，內(nèi)核會調(diào)用每個驅(qū)動程序的初始化函數(shù)。它有二個任務要完成：(1)將設備驅(qū)動程序使用的主設備號通知內(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)中的每一個非NULL成員的名字都對應著一個系統(tǒng)調(diào)用。用戶進程利用系統(tǒng)調(diào)用在對設備文件進行諸如讀/寫操作時，系統(tǒng)調(diào)用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅(qū)動程序，然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。這是Linux的設備驅(qū)動程序工作的基本流程。例如：當用戶進程執(zhí)行open( )調(diào)用時，open( )執(zhí)行體將根據(jù)open所帶的參數(shù)找到PCI設備驅(qū)動程序，并根據(jù)其相關聯(lián)的PCI_fops數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，找到PCIopen子函數(shù)的入口點，接著就執(zhí)行PCIopen函數(shù)體。
　　(3)編寫驅(qū)動程序子函數(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)成了具體的設備驅(qū)動的執(zhí)行體。因此編寫驅(qū)動程序子函數(shù)是開發(fā)過程中最為重要的一步，這些子函數(shù)要根據(jù)具體的需求來設計。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)動程序的具體實現(xiàn)
　　(1)獲取PCI采集卡的基本配置信息
　　PCI采集卡的驅(qū)動程序主要是完成對采集卡的寄存器和PCI總線控制器的PCI配置空間的設置和讀取，用以啟動采集卡，并按照一定的方式進行采集、傳送、停止等。若要對這些寄存器進行設置和讀取，就要知道這些寄存器的BaseAddress和偏移值、中斷號等相關配置信息。這是對硬件操作的第一步。Linux操作系統(tǒng)對PCI設備提供了大量的初始化函數(shù)(這一點不同于Dos和Windows)。因此，在系統(tǒng)啟動時，這特定的初始化函數(shù)會被調(diào)用，用來檢測系統(tǒng)中存在的所有的PCI設備，并填充PCI設備的配置空間。因此，在開發(fā)PCI設備驅(qū)動時，只要執(zhí)行相關的系統(tǒng)調(diào)用(由系統(tǒng)提供），就可獲得所需要的PCI設備信息。
下面是幾個常用的內(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：返回一個布爾值表明所運行的計算機是否具有支持PCI設備的能力；函數(shù)②的功能是：返回設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：通過調(diào)用該類函數(shù)，設備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)寄存器空間的訪問，包括讀和寫。
　　(2)內(nèi)存操作
　　設備驅(qū)動的子函數(shù)運行在內(nèi)核態(tài)，在設備驅(qū)動程序中動態(tài)開辟和釋放內(nèi)存。用kmalloc或get_free_pages直接申請頁而不是用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最多只能開辟128KB的內(nèi)存，這可以通過犧牲一些系統(tǒng)內(nèi)存的方法來解決。具體做法是：若機器是32MB的內(nèi)存，在lilo.conf的啟動參數(shù)中加上mem=30MB，這樣Linux就認為此機器只有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。它的一個中斷處理程序可分為上半部（top half）和下半部(bottom half)二個部分。之所以會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”，當一個中斷發(fā)生時，它就把設備驅(qū)動程序中中斷例程的下半部掛到該設備的下半部執(zhí)行隊列中去，然后就等待新的中斷的到來。這樣一來，上半部執(zhí)行的速度就會很快，它就可以接受更多設備產(chǎn)生的中斷。上半部之所以要快，是因為它是完全屏蔽中斷的，如果不執(zhí)行完，其他的中斷就不能被及時處理，只能等到這個中斷處理程序執(zhí)行完畢以后。所以，要盡可能多地對設備產(chǎn)生的中斷進行服務和處理，確保中斷處理程序的速度。
要使用一個中斷，必須先向系統(tǒng)登記。實現(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是要申請的中斷號，handle是中斷處理函數(shù)指針，flags是中斷標識，device是設備名。
　　如果登記成功，則返回0。這時在/proc/interrupts文件中可以看到自己請求的中斷。
　　(4)內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)下數(shù)據(jù)交換問題
　　用戶進程在執(zhí)行特定系統(tǒng)調(diào)用使用設備時，系統(tǒng)就從用戶態(tài)進入內(nèi)核態(tài)下運行，這時用戶進程的環(huán)境仍然可用。但在內(nèi)核緩沖區(qū)和用戶進程緩沖區(qū)間進行數(shù)據(jù)交換時，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。
　　通過這些調(diào)用來使用用戶緩沖時還要進行用戶緩沖讀寫權(quán)限的檢驗，否則調(diào)用數(shù)據(jù)交換函數(shù)時會出錯。檢驗函數(shù)為：int verify_area(int access，void*u_addr，unsigned long size)。
3 將驅(qū)動程序嵌入內(nèi)核
　　由于驅(qū)動程序是在內(nèi)核下運行，因此，要把編寫的驅(qū)動程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動程序可以按照二種方式編譯，一種是編譯進kernel，另一種是編譯成模塊(modules)。如果編譯進內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(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命令來加載模塊和用rmmod來卸載模塊。
　　在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)核時，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)的字符設備表登記了一個字符設備。register_chrdev需要三個參數(shù)：其一是希望獲得的設備號，如果為0，系統(tǒng)將選擇一個沒有被占用的設備號返回；其二是設備文件名；其三是用來登記驅(qū)動程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)指針。如果登記成功，則返回設備的主設備號；若不成功，則返回一個負值。
　　下面是用模塊方法將驅(qū)動程序加載進內(nèi)核時用的主要功能函數(shù)體示例，也就是當執(zhí)行inmod 命令時執(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，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設備PCItest在系統(tǒng)字符設備表中占有的表項。
4  結(jié)束語
　　設計Linux設備驅(qū)動程序有一定的模式，遵循這個模式，將會大大減輕設計程序的工作量。本文總結(jié)了工作中對一種PCI采集卡的驅(qū)動開發(fā)過程。同網(wǎng)卡的驅(qū)動相比，PCI采集卡驅(qū)動的開發(fā)是一件相對簡單的工作，但它們同屬于PCI設備，具有類似之處。所以，PCI采集卡的驅(qū)動開發(fā)對設計復雜的網(wǎng)絡驅(qū)動程序是很有幫助的。
參考文獻
1   Rubini A著，LISOLEG譯.Linux設備驅(qū)動程序.北京：中國電力出版社，2000
2   蔡震.Linux系統(tǒng)下USB設備驅(qū)動程序的開發(fā).計算機測量與控制，2003；11(2)
3   李善平，劉文蜂.Linux內(nèi)核2.4版源代碼分析大全.北京：機械工業(yè)出版社，2002
4   王學龍.嵌入式Linux系統(tǒng)設計與應用.北京：清華大學出版社，2001
5   Rusling D A著，朱珂譯.Linux編程白皮書.北京：機械工業(yè)出版社，2000