嵌入式Linux下PCI设备驱动的设计与实现

随着通用处理器和嵌入式技术的迅猛发展，越来越多的电子设备需要由处理器控制。目前大多数CPU和外部设备都会提供PCI总线的接口，PCI总线已成为计算机系统中一种应用广泛、通用的总线标准。Linux因其开放源代码以及稳定的性能，越来越受到广大用户青睐。同时，基于Linux内核的嵌入式操作系统应用势头强劲，开发基于Linux的设备驱动程序，具有很强的实用性和可移植性。

　　1 PCI总线概述

　　PCI(Peripheral Component Interconnect)总线，即外部设备互连，是现在流行的一种连接PC和外围设备的总线结构。PCI提供了一组完整的总线接口规范，可以在33 MHz时钟频率、32 bit数据总线宽度的条件下达到峰值132 Mb/s的传输速率;它能支持一种称为线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据；采用总线主控与同步操作，显著改善PCI的性能；PCI独立于处理器的结构，用户可随意增添外围设备，以扩展电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能下降。

　　2 PCI设备驱动程序的设计与实现

　　Linux中将设备分成字符设备、块设备和网络设备三种类型，通过主设备号和从设备号实现对设备的描述。其中主设备号描述控制该设备的驱动程序，即驱动程序与主设备号一一对应，从设备号用来区分同一个驱动程序控制的不同设备。

　　PCI设备属于字符设备。本设计采用模块方式实现PCI卡驱动程序。驱动程序主要由设备注册和注销、设备探测和移除、设备中断处理和系统调用等函数组成。

　　2.1 设备注册和注销

　　使用一个设备之前,必须保证己经对它进行注册，这项工作一般是在设备初始化时完成。设备初始化函数中调用函数register_chrdev（）来注册字符设备。流媒体数据缓存PCI卡驱动程序的注册代码如下：

　　#define MAJOR_NUM 128

　　register_chrdev(MAJOR_NUM，"pci_card"，&pci_card_fops);

　　将设备的主设备号设为128,设备名称为pci_card。pci_card_fops是一个file_operations结构指针,这个结构是设备驱动程序所提供的入口点位置，在设备注册时向系统进行登记，以便系统在适当时调用。pci_card_fops定义如下：

　　当不再使用此设备时，需调用unregister_chrdev（）函数注销驱动程序。

　　2.2 设备探测和移除

　　在扫描到新的PCI设备后，系统需要调用设备驱动程序实现的探测函数以查找与设备相匹配的PCI驱动。流媒体数据缓存PCI卡设备驱动的探测函数pic_card_probe()的主要实现代码如下：

　　设备移除函数主要完成释放映射的虚拟地址、释放I/O区域、关闭PCI设备和释放为设备实例分配的内核空间等功能。

　　2.3 中断处理

　　流媒体数据缓存卡驱动中的中断处理程序主要负责识别中断、响应中断和唤醒睡眠的进程，中断处理代码如下：

　　2.4 系统调用

　　用户进程利用系统调用对设备文件进行诸如read/write操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针,接着把控制权交给该函数。流媒体数据缓存PCI卡的系统调用函数主要包括设备的打开、关闭、读写和控制等。

　　在使用PCI设备之前，必须先打开所要使用的PCI设备。当用户在应用程序中调用open()函数时，应用程序就会自动进入驱动程序中的pci_card_open()函数。pic_card_open()函数主要负责增加模块的使用计数，并根据pic_card_probe()读到的中断号申请中断，注册中断处理程序。具体实现如下：

　　MOD_INC_USE_COUNT

　　request_irq(pci_card->irq，pci_card_interrupt，SA_SHIRQ，"pci_card"，pci_card));

　　在使用完PCI设备后，必须关闭PCI设备。当用户在应用程序中调用close()函数时，应用程序就会自动进入驱动程序中的pci_card_release()函数。pci_card_release()函数的主要工作是释放中断和减少模块的使用计数。

　　用户在应用程序中调用read()函数和write()函数对设备文件进行读写操作时，应用程序就会自动进入驱动程序中的pci_card_read()函数和pci_card_write()函数。pci_card_read()函数首先会阻塞在以pci_card->wq为队头的等待队列上。当流媒体数据缓存卡上的数据准备好，即pci_card-&state变为READY时，pci_card_read()函数会被唤醒。函数被唤醒后，会先将数据从设备I/O内存拷贝到内核空间，再从内核空间拷贝给用户进程，实现方式如下：

　　wait_event_interruptible(pci_card->wq，pci_card->state==READY);

　　memcpy_fromio(pbuf，pci_card->mem_start，count);

　　copy_to_user(buf，pbuf，count))；

　　而pci_card_write()函数的主要工作是将数据从用户进程拷贝到内核空间，再将内核空间中的数据拷贝到设备I/O内存，实现代码如下：

　　copy_from_user(pbuf，buf，count);

　　memcpy_toio(pci_card->mem_start，pbuf，count)；

　　Linux是一种日趋成熟完善的操作系统，PCI总线已成为计算机系统中一种应用广泛、通用的总线标准。本文针对流媒体数据缓存卡设备，结合PCI总线的特点，开发实现了流媒体数据缓存PCI卡在Linux环境下的设备驱动程序，本文介绍的驱动原理同样适用其他PCI设备的开发。