嵌入式Linux下PCI設備驅動的設計與實現*

袁愛平

（長沙民政職業技術學院 軟件學院，湖南 長沙410004）

隨著通用處理器和嵌入式技術的迅猛發展，越來越多的電子設備需要由處理器控制。目前大多數CPU和外部設備都會提供PCI總線的接口，PCI總線已成為計算機系統中一種應用廣泛、通用的總線標準[1]。Linux因其開放源代碼以及穩定的性能，越來越受到廣大用戶青睞。同時，基于Linux內核的嵌入式操作系統應用勢頭強勁，開發基于Linux的設備驅動程序，具有很強的實用性和可移植性[2]。

1 PCI總線概述

PCI(Peripheral Component Interconnect)總線，即外部設備互連，是現在流行的一種連接PC和外圍設備的總線結構[3]。PCI提供了一組完整的總線接口規范，可以在33 MHz時鐘頻率、32 bit數據總線寬度的條件下達到峰值132 Mb/s的傳輸速率;它能支持一種稱為線性突發的數據傳輸模式，可確保總線不斷滿載數據；采用總線主控與同步操作，顯著改善PCI的性能；PCI獨立于處理器的結構，用戶可隨意增添外圍設備，以擴展電腦系統而不必擔心在不同時鐘頻率下會導致性能下降。

2 PCI設備驅動程序的設計與實現

Linux中將設備分成字符設備、塊設備和網絡設備三種類型，通過主設備號和從設備號實現對設備的描述。其中主設備號描述控制該設備的驅動程序，即驅動程序與主設備號一一對應，從設備號用來區分同一個驅動程序控制的不同設備[5]。

PCI設備屬于字符設備。本設計采用模塊方式實現PCI卡驅動程序。驅動程序主要由設備注冊和注銷、設備探測和移除、設備中斷處理和系統調用等函數組成。

2.1 設備注冊和注銷

使用一個設備之前,必須保證己經對它進行注冊，這項工作一般是在設備初始化時完成。設備初始化函數中調用函數register_chrdev（）來注冊字符設備。流媒體數據緩存PCI卡驅動程序的注冊代碼如下：

將設備的主設備號設為128,設備名稱為pci_card。pci_card_fops是一個file_operations結構指針,這個結構是設備驅動程序所提供的入口點位置，在設備注冊時向系統進行登記，以便系統在適當時調用。pci_card_fops定義如下：

當不再使用此設備時，需調用 unregister_chrdev（）函數注銷驅動程序。

2.2 設備探測和移除

在掃描到新的PCI設備后，系統需要調用設備驅動程序實現的探測函數以查找與設備相匹配的PCI驅動。流媒體數據緩存PCI卡設備驅動的探測函數pic_card_probe()的主要實現代碼如下：

設備移除函數主要完成釋放映射的虛擬地址、釋放I/O區域、關閉PCI設備和釋放為設備實例分配的內核空間等功能。

2.3 中斷處理

流媒體數據緩存卡驅動中的中斷處理程序主要負責識別中斷、響應中斷和喚醒睡眠的進程，中斷處理代碼如下：

2.4 系統調用

用戶進程利用系統調用對設備文件進行諸如read/write操作時，系統調用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅動程序，然后讀取這個數據結構相應的函數指針,接著把控制權交給該函數。流媒體數據緩存PCI卡的系統調用函數主要包括設備的打開、關閉、讀寫和控制等。

在使用PCI設備之前，必須先打開所要使用的PCI設備。當用戶在應用程序中調用open()函數時，應用程序就會自動進入驅動程序中的pci_card_open()函數。pic_card_open()函數主要負責增加模塊的使用計數，并根據pic_card_probe()讀到的中斷號申請中斷，注冊中斷處理程序。具體實現如下：

在使用完PCI設備后，必須關閉PCI設備。當用戶在應用程序中調用close()函數時，應用程序就會自動進入驅動程序中的pci_card_release()函數。pci_card_release()函數的主要工作是釋放中斷和減少模塊的使用計數。

用戶在應用程序中調用read()函數和write()函數對設備文件進行讀寫操作時，應用程序就會自動進入驅動程序中的 pci_card_read()函數和 pci_card_write()函數。pci_card_read()函數首先會阻塞在以pci_card->wq為隊頭的等待隊列上。當流媒體數據緩存卡上的數據準備好，即 pci_card->state變為 READY時，pci_card_read()函數會被喚醒。函數被喚醒后，會先將數據從設備I/O內存拷貝到內核空間，再從內核空間拷貝給用戶進程，實現方式如下：

而pci_card_write()函數的主要工作是將數據從用戶進程拷貝到內核空間，再將內核空間中的數據拷貝到設備I/O內存，實現代碼如下：

Linux是一種日趨成熟完善的操作系統，PCI總線已成為計算機系統中一種應用廣泛、通用的總線標準。本文針對流媒體數據緩存卡設備，結合PCI總線的特點，開發實現了流媒體數據緩存PCI卡在Linux環境下的設備驅動程序，本文介紹的驅動原理同樣適用其他PCI設備的開發。

[1]陳穎，唐超.基于PCI總線驅動程序設計方法研究[J].

微計算機信息，2008，12(1)：272-274.

[2]李善平，劉文峰，王煥龍.Linux與嵌入式系統[M].北京：清華大學出版社，2003.

[3]宋有泉，高小鵬，龍翔.嵌入式PCI網卡驅動程序的設

計與優化[J]. 計算機工程，2007，3(2)：264-266.

[4]王峰，張文軍，余松煜.PCI設備驅動程序中幾個關鍵問題的設計與實現[J].測控技術，2002，21(8)：58-60.

[5]錢晨，徐榮華，王欽若.基于Linux操作系統的設備驅動

程序開發[J].微計算機信息，2004，20(9)：131-133.