【原創(chuàng)】Linux PCI驅(qū)動框架分析（二）

丹楓無跡 2022-05-16 發(fā)布于北京

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背景

說明：

話不多說，直接開始。

PCI體系結(jié)構(gòu)的拓撲關(guān)系如圖所示，而圖中的不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是用于來描述對應(yīng)的模塊；
Host Bridge連接CPU和PCI系統(tǒng)，由struct pci_host_bridge描述；
struct pci_dev描述PCI設(shè)備，以及PCI-to-PCI橋設(shè)備；
struct pci_bus用于描述PCI總線，struct pci_slot用于描述總線上的物理插槽；

來一張更詳細的結(jié)構(gòu)體組織圖：

總體來看，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對硬件模塊進行了抽象，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間也能很便捷的構(gòu)建一個類似PCI子系統(tǒng)物理拓撲的關(guān)系圖；
頂層的結(jié)構(gòu)為pci_host_bridge，這個結(jié)構(gòu)一般由Host驅(qū)動負責(zé)來初始化創(chuàng)建；
pci_host_bridge指向root bus，也就是編號為0的總線，在該總線下，可以掛接各種外設(shè)或物理slot，也可以通過PCI橋去擴展總線；

Linux PCI驅(qū)動框架，基于Linux設(shè)備驅(qū)動模型，因此有必要先簡要介紹一下，實際上Linux設(shè)備驅(qū)動模型也是一個大的topic，先挖個坑，有空再來填。來張圖吧：

簡單來說，Linux內(nèi)核建立了一個統(tǒng)一的設(shè)備模型，分別采用總線、設(shè)備、驅(qū)動三者進行抽象，其中設(shè)備與驅(qū)動都掛在總線上，當(dāng)有新的設(shè)備注冊或者新的驅(qū)動注冊時，總線會去進行匹配操作（match函數(shù)），當(dāng)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動與設(shè)備能進行匹配時，就會執(zhí)行probe函數(shù)的操作；
從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中可以看出，bus_type會維護兩個鏈表，分別用于掛接向其注冊的設(shè)備和驅(qū)動，而match函數(shù)就負責(zé)匹配檢測；
各類驅(qū)動框架也都是基于圖中的機制來實現(xiàn)，在這之上進行封裝，比如I2C總線框架等；
設(shè)備驅(qū)動模型中，包含了很多kset/kobject等內(nèi)容，建議去看看之前的文章《linux設(shè)備模型之kset/kobj/ktype分析》
好了，點到為止，感覺要跑題了，強行拉回來。

既然說到了設(shè)備驅(qū)動模型，那么首先我們要做的事情，就是先在內(nèi)核里邊創(chuàng)建一個PCI總線，用于掛接PCI設(shè)備和PCI驅(qū)動，我們的實現(xiàn)來到了pci_driver_init()函數(shù)：

內(nèi)核在PCI框架初始化時會調(diào)用pci_driver_init()來創(chuàng)建一個PCI總線結(jié)構(gòu)（全局變量pci_bus_type），這里描述的PCI總線結(jié)構(gòu)，是指驅(qū)動匹配模型中的概念，PCI的設(shè)備和驅(qū)動都會掛在該PCI總線上；
從pci_bus_type的函數(shù)操作接口也能看出來，pci_bus_match用來檢查設(shè)備與驅(qū)動是否匹配，一旦匹配了就會調(diào)用pci_device_probe函數(shù)，下邊針對這兩個函數(shù)稍加介紹；

設(shè)備或者驅(qū)動注冊后，觸發(fā)pci_bus_match函數(shù)的調(diào)用，實際會去比對vendor和device等信息，這個都是廠家固化的，在驅(qū)動中設(shè)置成PCI_ANY_ID就能支持所有設(shè)備；
一旦匹配成功后，就會去觸發(fā)pci_device_probe的執(zhí)行；

實際的過程也是比較簡單，無非就是進行匹配，一旦匹配上了，直接調(diào)用驅(qū)動程序的probe函數(shù)，寫過驅(qū)動的同學(xué)應(yīng)該就比較清楚后邊的流程了；

我們還是順著設(shè)備驅(qū)動匹配的思路繼續(xù)開展；
3.2節(jié)描述的是總線的創(chuàng)建，那么本節(jié)中的枚舉，顯然就是設(shè)備的創(chuàng)建了；
所謂設(shè)備的創(chuàng)建，就是在Linux內(nèi)核中維護一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來對硬件設(shè)備進行描述，而硬件的描述又跟上文中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能對應(yīng)上；

枚舉的入口函數(shù)：pci_host_probe

設(shè)備的掃描從pci_scan_root_bus_bridge開始，首先需要先向系統(tǒng)注冊一個host bridge，在注冊的過程中需要創(chuàng)建一個root bus，也就是bus 0，在pci_register_host_bridge函數(shù)中，主要是一系列的初始化和注冊工作，此外還為總線分配資源，包括地址空間等；
pci_scan_child_bus開始，從bus 0向下掃描并添加設(shè)備，這個過程由pci_scan_child_bus_extend來完成；
從pci_scan_child_bus_extend的流程可以看出，主要有兩大塊：
1. PCI設(shè)備掃描，從循環(huán)也能看出來，每條總線支持32個設(shè)備，每個設(shè)備支持8個功能，掃描完設(shè)備后將設(shè)備注冊進系統(tǒng)，pci_scan_device的過程中會去讀取PCI設(shè)備的配置空間，獲取到BAR的相關(guān)信息，細節(jié)不表了；
2. PCI橋設(shè)備掃描，PCI橋是用于連接上一級PCI總線和下一級PCI總線的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有下一級總線時，創(chuàng)建子結(jié)構(gòu)，并再次調(diào)用pci_scan_child_bus_extend的函數(shù)來掃描下一級的總線，從這個過程看，就是一個遞歸過程。
從設(shè)備的掃描過程看，這是一個典型的DFS（Depth First Search）過程，熟悉數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的同學(xué)應(yīng)該清楚，這就類似典型的走迷宮的過程；

如果你對上述的流程還不清楚，再來一張圖：

圖中的數(shù)字代表的就是掃描的過程，當(dāng)遍歷到PCI橋設(shè)備的時候，會一直窮究到底，然后再返回來；
當(dāng)枚舉過程結(jié)束后，系統(tǒng)中就已經(jīng)維護了PCI設(shè)備的各類信息了，在設(shè)備驅(qū)動匹配模型中，總線和設(shè)備都已經(jīng)具備了，剩下的就是寫個驅(qū)動了；

暫且寫這么多，細節(jié)方面不再贅述了，把握大體的框架即可，無法扼住PCI的咽喉，那就扼住它的骨架吧。