摘 要： 簡要介紹了Linux操作系統(tǒng)和PCI-Express（PCI-E）總線的特點以及Linux設備驅(qū)動的作用。以PEX8311時統(tǒng)卡為例，闡述了Linux系統(tǒng)下PCI-E驅(qū)動程序開發(fā)的流程和技巧，并通過DMA模式測試了驅(qū)動程序的可行性。
關(guān)鍵詞： 設備驅(qū)動；Linux；PCI-Express；PEX8311；DMA
0 引言
Linux操作系統(tǒng)憑借其開放的源代碼、良好的擴展性以及安全高效等特點，受到越來越多領(lǐng)域開發(fā)者的重視，并逐步成為各種計算機終端、服務器工作站及嵌入式平臺的主流操作系統(tǒng)。PCI-Express（PCI-E）作為最新一代的總線接口，其點對點的串行設計以及雙通道高帶寬的傳輸模式，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率[1]，它的廣泛應用將全面取代PCI、AGP等總線。
目前基于Linux平臺下的PCI-E總線的應用十分廣泛，小到微型嵌入式系統(tǒng)，大到超大型服務器系統(tǒng)，都可以看到二者的完美結(jié)合。而驅(qū)動程序作為硬件設備與操作系統(tǒng)之間的橋梁，對硬件的工作起著至關(guān)重要的作用。本文介紹的是Linux下基于PCI-E時統(tǒng)卡的驅(qū)動程序的開發(fā)過程。
1 PCI-E時統(tǒng)卡
本文中使用的PCI-E時統(tǒng)卡是自主研發(fā)的一款硬件設備。該時統(tǒng)卡通過接受B碼終端發(fā)來的信號，然后經(jīng)FPGA進行解碼，獲得時間信息，并以1 pps脈沖為基準產(chǎn)生用戶所需要的20 Hz、100 Hz等中斷脈沖信號，最后通過PCI-E橋接芯片PEX8311進行數(shù)據(jù)交互，使得時統(tǒng)卡中的時間信息以及中斷信息能夠傳到計算機終端或服務器中。而要想讓安裝在計算機終端或者服務器中的時統(tǒng)卡能夠正常工作，就需要為其開發(fā)配套的驅(qū)動程序，主要就是針對PEX8311芯片的驅(qū)動。圖1所示為時統(tǒng)卡PEX8311芯片的結(jié)構(gòu)簡圖。數(shù)據(jù)經(jīng)由PFGA傳到Local Bus，然后通過內(nèi)部總線再到PCI-E總線，最后傳到計算機終端中。
2 Linux設備驅(qū)動程序
Linux設備驅(qū)動程序是一種使計算機軟件與硬件設備進行交互的特殊程序。圖2所示為Linux設備驅(qū)動與操作系統(tǒng)及外設的關(guān)系。設備驅(qū)動程序位于Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核空間，它相當于操作系統(tǒng)內(nèi)核空間與物理層硬件設備之間的接口，它還為用戶層提供系統(tǒng)調(diào)用的接口函數(shù)。用戶層的應用程序不能直接訪問操作物理層的外部硬件設備，只有通過系統(tǒng)調(diào)用才可以訪問操作外部硬件設備[2]。因此可以看出設備驅(qū)動程序在操作系統(tǒng)中起到了相當大的作用。
3 Linux設備驅(qū)動開發(fā)過程
Linux設備驅(qū)動程序的編寫可以模塊化，主要包括：設備的初始化、驅(qū)動模塊的加載與卸載、設備的打開與釋放、數(shù)據(jù)讀寫與操作、中斷響應。
3.1 設備的初始化
Linux系統(tǒng)啟動后會自動檢測計算機終端上所有的PCI-E設備的信息，并記錄在pci_dev結(jié)構(gòu)體中，其中包括硬件設備的廠商號、設備號等大部分的硬件信息。PCI-E驅(qū)動程序就是根據(jù)廠商號和設備號來連接設備并加載驅(qū)動的，這就需要在驅(qū)動程序中定義該驅(qū)動所支持的硬件參數(shù)信息。本文中使用的時統(tǒng)卡的PCI-E橋接芯片是PEX8311，其硬件參數(shù)信息定義分別為廠商號、設備號、子廠商號、子設備號、類別和類別掩碼。初始化代碼如下。
static struct pci_device_id PlxPciIdTable（）=
{
#if（PLX_CHIP==8311）
{0x10B5，0x8311，PCI_ANY_ID，PCI_ANY_ID，0x000000，0x000000}，
{0x10B5，0x86E1，PCI_ANY_ID，PCI_ANY_ID，0x000000，0x000000}，
#endif
}；
MODULE_DEVICE_TABLE（pci，PlxPciIdTable）；
3.2 驅(qū)動模塊的加載與卸載
硬件設備驅(qū)動的加載，必須要有一個主設備號。設備號的分配有兩種方式：靜態(tài)分配和動態(tài)分配。靜態(tài)分配指的是由開發(fā)人員指定一個固定的設備號；動態(tài)分配則是由操作系統(tǒng)自動分配設備號。在不能明確某設備號是否被使用的情況下，建議使用動態(tài)分配的方式獲得設備號，這樣就避免了因設備號沖突導致硬件設備不能正常工作的情況出現(xiàn)。分配了設備號就可以注冊設備并加載設備驅(qū)動了。而當該設備不再使用時，可以將該設備的驅(qū)動模塊卸載掉，以此來減少系統(tǒng)內(nèi)核的占用以及其他系統(tǒng)資源的開銷。驅(qū)動模塊加載與卸載的代碼如下。
//驅(qū)動模塊的加載
static int__init plxpci_init（void）
{
……
/*注冊設備，register_chrdev函數(shù)的第一個參數(shù)為0，表示系統(tǒng)自動分配一個空閑的主設備號*/
card->MajorID=register_chrdev（0，PLX_DRIVER_NAME，&plxpci_fops）；
pci_register_driver（&PlxPciDriver）；
……
}
//驅(qū)動模塊的卸載
static void__exit plxpci_cleanup（void）
{
unregister_chrdev（major，PLX_DRIVER_NAME）；
pci_unregister_driver（&plxpci_driver）；
}
3.3 設備的打開與釋放
Linux系統(tǒng)內(nèi)核在驅(qū)動模塊加載之后就可以打開硬件設備。設備的打開模塊主要是獲取設備的控制權(quán)，允許中斷的產(chǎn)生等。而當不再使用該設備時，就需要釋放該設備。設備的釋放模塊的任務與設備的打開模塊的任務正好相反，主要是釋放對設備的控制權(quán)、中斷以及之前系統(tǒng)分配的一些資源等。設備打開與釋放的代碼如下。
//設備的打開
static int plxpci_open（struct inode*inode，struct file*file）
{
……
/*獲取設備的控制權(quán)*/
dev->open_mode|=file->f_mode&（FMODE_READ|FMODE_WRITE）；
/*允許中斷產(chǎn)生*/
plxpci_enable_IRQ（dev）；
return 0；
}
//設備的釋放
static int plxpci_release（struct inode*inode，struct file*file）
{
……
/*釋放對設備的控制權(quán)*/
dev->open_mode&=（~file->f_mode）&（FMODE_READ|FMODE_WRITE）；
free_irq（card->irq，card）；
kfree（card）；
return0；
}
3.4 數(shù)據(jù)讀寫與操作
本文中驅(qū)動程序使用的是DMA（Direct Memory Access）傳輸模式。DMA傳輸模式無需計算機或本地控制器的干預，傳輸效率很高，從而大大降低了控制器的工作量且提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率及效率[3]。要完成DMA傳輸模式就需要了解時統(tǒng)卡上主要的PCI-E橋接芯片PEX8311的工作模式。從參考文獻[4]中可知，PEX8311芯片中有幾個重要的寄存器：（1）LCS_DMAMODE0，地址是80h，該寄存器主要用來設置DMA的模式。（2）LCS_DMADPR0，地址是90h，該寄存器主要用來設置DMA的傳輸方向。當LCS_DMADPR0[3]=1，表示傳輸方向從Local Bus到PCI-E，若為0，則方向相反。（3）LCS_DMACSR0，地址是A8h，該寄存器主要用來啟動DMA傳輸。成功設置了DMA的傳輸模式，就可以從時統(tǒng)卡中讀出時間信息。DMA傳輸?shù)拇a如下。
//DMA傳輸模式
{
……
/*設置DMA傳輸方向*/
PlxPci_PlxRegisterWrite（pDevice，0x90，SglPciAddress|（1<<0）|（1<<3））；
/*設置DMA模式*/
PlxPci_PlxRegisterWrite（pDevice，0x80，0x00020642）；
/*啟動DMA傳輸*/
RegValue=PlxPci_PlxRegisterRead（pDevice，0xA8，NULL）；
RegValue|=（1<<0）；
PlxPci_PlxRegisterWrite（pDevice，0xA8，RegValue）；
RegValue|=（1<<1）；
PlxPci_PlxRegisterWrite（pDevice，0xA8，RegValue）；
……
}
3.5 中斷響應
中斷是Linux系統(tǒng)中非常寶貴的資源，任何驅(qū)動程序都需要申請中斷并注冊中斷處理才可以使用中斷。可以使用中斷的方式來讀取硬件設備中的數(shù)據(jù)。而如果硬件設備不支持中斷，則只能采用輪詢的方式來讀取數(shù)據(jù)。硬件設備中一般包含好幾種不同的中斷，例如1 Hz、20 Hz、100 Hz等。因此，當讀取中斷狀態(tài)位之后還需要將不同的中斷識別區(qū)分開來才能使用。另外，為方便用戶層的應用軟件對中斷的使用，使用信號機制來向用戶層發(fā)送中斷信號，通知用戶層的應用軟件獲取中斷狀態(tài)位。中斷響應程序如下。
//中斷響應
irq_handler_t plxpci_interrupt（int irq，void*dev_id，struct pt_regs*regs）
{
……
/*讀取中斷狀態(tài)位，其中包含多種中斷，需要在下一步識別并解析出不同的中斷*/
status=inb（PLXPCI_IRQ_REG（dev））；
if（status）
{
/*識別20 Hz中斷*/
if（status&IRQ_FLAG_20 Hz）
{
……
}
……
/*通知調(diào)度函數(shù)向應用層軟件發(fā)送中斷信號*/
tasklet_schedule（&dev->tlet）；
}
return（IRQ_HANDLED）；
}
4 驅(qū)動程序的測試
4.1 驅(qū)動程序的加載
本文中開發(fā)及測試平臺所使用的操作系統(tǒng)是中標麒麟Linux操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)的內(nèi)核版本是2.6.32。Linux下驅(qū)動程序模塊的加載通常有動態(tài)加載和靜態(tài)加載兩種方式。靜態(tài)加載就是把編譯生成的驅(qū)動程序文件plx8311.ko編譯到內(nèi)核中，每次系統(tǒng)啟動時自動調(diào)用，這種方式比較適合最終版本的驅(qū)動程序。動態(tài)加載就是通過insmod命令加載驅(qū)動程序，通過rmmod命令可以卸載驅(qū)動程序，這樣隨時可以修改驅(qū)動程序，對于還在調(diào)試階段的程序比較方便。
4.2 測試過程與結(jié)果
測試前首先保證在計算機終端中安裝好時統(tǒng)卡，并連接B碼終端，然后加載驅(qū)動程序，使用lsmod命令查看驅(qū)動程序是否已經(jīng)加載好。圖3所示為plx8311驅(qū)動加載成功。當驅(qū)動程序可以正常加載，并且能夠通過測試程序讀出時統(tǒng)卡中的時間信息和中斷信息，則說明編寫的驅(qū)動程序是可行的。圖4所示為測試結(jié)果，前面顯示的是從時統(tǒng)卡中讀出的當前時間，后面3個數(shù)字表示從啟動測試程序到當前時刻所獲得的1 Hz、20 Hz、100 Hz中斷信號的個數(shù)。
5 結(jié)論
Linux系統(tǒng)的開源性加上PCI-E總線在計算機系統(tǒng)中的廣泛應用，使得其兩者的結(jié)合越來越緊密，Linux系統(tǒng)下的PCI-E的驅(qū)動開發(fā)也得到了廣泛的關(guān)注。本文結(jié)合實際項目開發(fā)，通過對PEX8311時統(tǒng)卡的驅(qū)動程序編寫過程中的各模塊的介紹，闡述了整個驅(qū)動的開發(fā)流程和相關(guān)技巧，并通過編寫測試程序完成了驅(qū)動程序的測試工作，驗證了驅(qū)動的可用性。
參考文獻
[1] BUDRUK R， ANDERSON D， SHANLEY T. PCI Express系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標準教材[M].田玉敏，王崧，張波，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[2] 鄭強.Linux驅(qū)動開發(fā)入門與實踐[M].北京：清華大學出版社，2010.
[3] 范晶，胡愛蘭.基于狀態(tài)機的PEX8311的DMA實現(xiàn)[J].微型機與應用，2014，33（22）：30-33.
[4] PLX. PEX8311 AA data book version 1.0[OL]. [2015-04-15].http：//www.plxtech.com/mydata.