肖文鵬 (xiaowp@263.net), 碩士研究生, 北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)系

2004 年 3 月 09 日

PCI是一種廣泛采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，它提供了許多優(yōu)于其它總線標(biāo)準(zhǔn)（如EISA）的新特性，目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，并且最為通用的總線標(biāo)準(zhǔn)。Linux的內(nèi)核能較好地支持PCI總線，本文以Intel 386體系結(jié)構(gòu)為主，探討了在Linux下開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本框架。

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PCI是外圍設(shè)備互連（Peripheral Component Interconnect）的簡(jiǎn)稱，作為一種通用的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，它在目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。PCI提供了一組完整的總線接口規(guī)范，其目的是描述如何將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備以一種結(jié)構(gòu)化和可控化的方式連接在一起，同時(shí)它還刻畫了外圍設(shè)備在連接時(shí)的電氣特性和行為規(guī)約，并且詳細(xì)定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)不同部件之間應(yīng)該如何正確地進(jìn)行交互。

無(wú)論是在基于Intel芯片的PC機(jī)中，或是在基于Alpha芯片的工作站上，PCI毫無(wú)疑問(wèn)都是目前使用最廣泛的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。同舊式的ISA總線不同，PCI將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的總線子系統(tǒng)與存儲(chǔ)子系統(tǒng)完全地分開(kāi)，CPU通過(guò)一塊稱為PCI橋（PCI-Bridge）的設(shè)備來(lái)完成同總線子系統(tǒng)的交互，如圖1所示。

由于使用了更高的時(shí)鐘頻率，因此PCI總線能夠獲得比ISA總線更好的整體性能。PCI總線的時(shí)鐘頻率一般在25MHz到33MHz范圍內(nèi)，有些甚至能夠達(dá)到66MHz或者133MHz，而在64位系統(tǒng)中則最高能達(dá)到266MHz。盡管目前PCI設(shè)備大多采用32位數(shù)據(jù)總線，但PCI規(guī)范中已經(jīng)給出了64位的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，從而使PCI總線能夠更好地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)性，現(xiàn)在PCI總線已經(jīng)能夠用于IA-32、Alpha、PowerPC、SPARC64和IA-64等體系結(jié)構(gòu)中。

PCI總線具有三個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，使得它能夠完成最終取代ISA總線這一歷史使命：

• 在計(jì)算機(jī)和外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)具有更好的性能；
• 能夠盡量獨(dú)立于具體的平臺(tái)；
• 可以很方便地實(shí)現(xiàn)即插即用。

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圖2是一個(gè)典型的基于PCI總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)邏輯示意圖，系統(tǒng)的各個(gè)部分通過(guò)PCI總線和PCI-PCI橋連接在一起。從圖中不難看出，CPU和RAM需要通過(guò)PCI橋連接到PCI總線0（即主PCI總線），而具有PCI接口的顯卡則可以直接連接到主PCI總線上。PCI-PCI橋是一個(gè)特殊的PCI設(shè)備，它負(fù)責(zé)將PCI總線0和PCI總線1（即從PCI主線）連接在一起，通常PCI總線1稱為PCI-PCI橋的下游（downstream），而PCI總線0則稱為PCI-PCI橋的上游（upstream）。圖中連接到從PCI總線上的是SCSI卡和以太網(wǎng)卡。為了兼容舊的ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，PCI總線還可以通過(guò)PCI-ISA橋來(lái)連接ISA總線，從而能夠支持以前的ISA設(shè)備。圖中ISA總線上連接著一個(gè)多功能I/O控制器，用于控制鍵盤、鼠標(biāo)和軟驅(qū)。

在此我只對(duì)PCI總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)作了概括性介紹，如果讀者想進(jìn)一步了解，David A Rusling在The Linux Kernel（http://tldp.org/LDP/tlk/dd/pci.html）中對(duì)Linux的PCI子系統(tǒng)有比較詳細(xì)的介紹。

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Linux將所有外部設(shè)備看成是一類特殊文件，稱之為“設(shè)備文件”，如果說(shuō)系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，那么設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則可以看成是Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件在實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來(lái)操作外部設(shè)備。

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Linux抽象了對(duì)硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以像普通文件一樣來(lái)看待：它們可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來(lái)完成打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個(gè)特殊的設(shè)備文件來(lái)表示，例如，系統(tǒng)中的第一個(gè)IDE硬盤使用/dev/hda表示。每個(gè)設(shè)備文件對(duì)應(yīng)有兩個(gè)設(shè)備號(hào)：一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)該設(shè)備的種類，也標(biāo)識(shí)了該設(shè)備所使用的驅(qū)動(dòng)程序；另一個(gè)是次設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登錄該設(shè)備時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無(wú)法訪問(wèn)到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件：一類是字符設(shè)備，另一類則是塊設(shè)備。字符設(shè)備是以字節(jié)為單位逐個(gè)進(jìn)行I/O操作的設(shè)備，在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來(lái)說(shuō)字符設(shè)備中的緩存是可有可無(wú)的，而且也不支持隨機(jī)訪問(wèn)。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫請(qǐng)求時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序先查看緩沖區(qū)中的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求就返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應(yīng)的請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，其目的是避免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待操作的完成。一般說(shuō)來(lái)，PCI卡通常都屬于字符設(shè)備。

所有已經(jīng)注冊(cè)（即已經(jīng)加載了驅(qū)動(dòng)程序）的硬件設(shè)備的主設(shè)備號(hào)可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設(shè)備文件，同時(shí)為其分配相應(yīng)的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。例如，下面的命令：

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[root@gary root]# mknod /dev/lp0 c 6 0