摘  要： 以一個具體的PCI設備的驅動開發過程為基礎，總結了與PCI設備驅動開發的相關問題，詳細闡述了基本開發步驟、具體實現、驅動程序內核塊的加載以及用戶進程和驅動程序的協同工作問題。
　　關鍵詞： PCI設備  設備驅動  中斷

1 Linux 系統下設備驅動的概念
　　在Linux操作系統下，系統調用是操作系統內核和應用程序之間的接口，設備驅動程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口[2]。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節。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。應用程序和設備驅動的關系如圖1所示。

　　在Linux操作系統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系。字符設備和塊設備的主要區別是：字符設備在寫請求的同時，實際的硬件I/O操作便發生了。塊設備則不然，它利用一塊系統內存作緩沖區，當用戶進程對設備請求讀/寫時，它首先察看緩沖區的內容。如果緩沖區的數據能滿足用戶的要求，就返回請求的數據，如果不能，就調用請求函數來進行實際的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。本文根據實際工作中所用到的PCI采集卡的特點，簡要闡述了其驅動程序開發過程中需要注意的問題和基本步驟。
2  Linux系統PCI設備驅動程序的開發
2.1 基本需求分析 
　　根據設備不同的用途，可以區分不同的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。從本文所使用的數據采集卡可知，其主要用途是用于采集和控制。根據工控過程的特點，需要PCI采集卡在每采樣一個數據點時，就以中斷的方式交給內核緩沖，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，并選擇觸發模式為內觸發，數據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過程，開發了其驅動程序。
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驅動的第一步。按照習慣，設備文件都放在系統目錄/dev下。一般在開發過程中，由于要經常查看設備文件的狀態，而在這一目錄下已經有很多設備文件，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數據結構
　　設備驅動程序就是一組能完成特定任務的、在內核態下運行的子函數的集合。每個設備驅動程序都有一個被稱作file_operation的數據結構來管理、組織這些子函數。該結構包含了指向驅動程序內部這些子函數的指針。當系統引導時，內核會調用每個驅動程序的初始化函數。它有二個任務要完成：(1)將設備驅動程序使用的主設備號通知內核；(2)初始化函數將file_operation指針傳送給內核。基本結構為：
　　struct file_operations PCI_fops={NULL，PCIread，
　　PCIwrite，NULL，NULL，NULL，NULL，
　　PCIopen，PCIrelease，NULL，NULL}；
　　結構中的每一個非NULL成員的名字都對應著一個系統調用。用戶進程利用系統調用在對設備文件進行諸如讀/寫操作時，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。這是Linux的設備驅動程序工作的基本流程。例如：當用戶進程執行open( )調用時，open( )執行體將根據open所帶的參數找到PCI設備驅動程序，并根據其相關聯的PCI_fops數據結構，找到PCIopen子函數的入口點，接著就執行PCIopen函數體。
　　(3)編寫驅動程序子函數
　　file_operation的數據結構中所定義的子函數的集合構成了具體的設備驅動的執行體。因此編寫驅動程序子函數是開發過程中最為重要的一步，這些子函數要根據具體的需求來設計。工作中用到的PCI采集卡的主要功能函數有：A/D轉換函數AD_INT_Start、AD_INT_Stop、AD_INT_Data，數字量采集與輸出函數DI_Data、DO_Data，D/A轉換函數AO_Data等。這里不予贅述。
2.3 PCI采集卡驅動程序的具體實現
　　(1)獲取PCI采集卡的基本配置信息
　　PCI采集卡的驅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操作系統對PCI設備提供了大量的初始化函數(這一點不同于Dos和Windows)。因此，在系統啟動時，這特定的初始化函數會被調用，用來檢測系統中存在的所有的PCI設備，并填充PCI設備的配置空間。因此，在開發PCI設備驅動時，只要執行相關的系統調用(由系統提供），就可獲得所需要的PCI設備信息。
下面是幾個常用的內核函數：
　　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②的功能是：返回設備在總線上的位置及函數指針bus_number、device_function；函數③、④的功能是：通過調用該類函數，設備驅動程序實現寄存器空間的訪問，包括讀和寫。
　　(2)內存操作
　　設備驅動的子函數運行在內核態，在設備驅動程序中動態開辟和釋放內存。用kmalloc或get_free_pages直接申請頁而不是用malloc和free；釋放內存用的是kfree或free_pages。kmalloc等函數返回的是物理地址，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內存用作DMA傳送，并且需要一直駐留在內存，不能被交換到磁盤文件中去。但是kmalloc最多只能開辟128KB的內存，這可以通過犧牲一些系統內存的方法來解決。具體做法是：若機器是32MB的內存，在lilo.conf的啟動參數中加上mem=30MB，這樣Linux就認為此機器只有30MB的內存，剩下的2MB內存在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”，當一個中斷發生時，它就把設備驅動程序中中斷例程的下半部掛到該設備的下半部執行隊列中去，然后就等待新的中斷的到來。這樣一來，上半部執行的速度就會很快，它就可以接受更多設備產生的中斷。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行完畢以后。所以，要盡可能多地對設備產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，必須先向系統登記。實現系統中斷登記的系統調用形式如下：
　　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)內核態和用戶態下數據交換問題
　　用戶進程在執行特定系統調用使用設備時，系統就從用戶態進入內核態下運行，這時用戶進程的環境仍然可用。但在內核緩沖區和用戶進程緩沖區間進行數據交換時，必須要用內核提供的專門函數。主要有：put_user( )，get_user( )，copy_to_user( )，copy_from_user( )等。
　　通過這些調用來使用用戶緩沖時還要進行用戶緩沖讀寫權限的檢驗，否則調用數據交換函數時會出錯。檢驗函數為：int verify_area(int access，void*u_addr，unsigned long size)。
3 將驅動程序嵌入內核
　　由于驅動程序是在內核下運行，因此，要把編寫的驅動程序嵌入內核。驅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)。如果編譯進內核的話，會增加內核的大小，還要改動內核的源文件，而且不能動態卸載，不利于調試。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入內核時，init_module 函數被調用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統的字符設備表登記了一個字符設備。register_chrdev需要三個參數：其一是希望獲得的設備號，如果為0，系統將選擇一個沒有被占用的設備號返回；其二是設備文件名；其三是用來登記驅動程序實際執行操作的函數指針。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動程序加載進內核時用的主要功能函數體示例，也就是當執行inmod 命令時執行的函數體。
　　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函數被調用，它釋放字符設備PCItest在系統字符設備表中占有的表項。
4  結束語
　　設計Linux設備驅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。本文總結了工作中對一種PCI采集卡的驅動開發過程。同網卡的驅動相比，PCI采集卡驅動的開發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采集卡的驅動開發對設計復雜的網絡驅動程序是很有幫助的。
參考文獻
1   Rubini A著，LISOLEG譯.Linux設備驅動程序.北京：中國電力出版社，2000
2   蔡震.Linux系統下USB設備驅動程序的開發.計算機測量與控制，2003；11(2)
3   李善平，劉文蜂.Linux內核2.4版源代碼分析大全.北京：機械工業出版社，2002
4   王學龍.嵌入式Linux系統設計與應用.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：機械工業出版社，2000