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【原創】Linux PCI驅動框架分析(二)

2020-12-30 06:15:09 作業系統

背 景

  • Read the fucking source code! --By 魯迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明:

  1. Kernel版本:4.14
  2. ARM64處理器
  3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio

1. 概述

  • 本文將分析Linux PCI子系統的框架,主要圍繞Linux PCI子系統的初始化以及列舉程序分析;
  • 如果對具體的硬體缺乏了解,建議先閱讀上篇文章《Linux PCI驅動框架分析(一)》

話不多說,直接開始,

2. 資料結構

  • PCI體系結構的拓撲關系如圖所示,而圖中的不同資料結構就是用于來描述對應的模塊;
  • Host Bridge連接CPU和PCI系統,由struct pci_host_bridge描述;
  • struct pci_dev描述PCI設備,以及PCI-to-PCI橋設備;
  • 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;

來一張更詳細的結構體組織圖:

  • 總體來看,資料結構對硬體模塊進行了抽象,資料結構之間也能很便捷的構建一個類似PCI子系統物理拓撲的關系圖;
  • 頂層的結構為pci_host_bridge,這個結構一般由Host驅動負責來初始化創建;
  • pci_host_bridge指向root bus,也就是編號為0的總線,在該總線下,可以掛接各種外設或物理slot,也可以通過PCI橋去擴展總線;

3. 流程分析

3.1 設備驅動模型

Linux PCI驅動框架,基于Linux設備驅動模型,因此有必要先簡要介紹一下,實際上Linux設備驅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內核建立了一個統一的設備模型,分別采用總線、設備、驅動三者進行抽象,其中設備與驅動都掛在總線上,當有新的設備注冊或者新的驅動注冊時,總線會去進行匹配操作(match函式),當發現驅動與設備能進行匹配時,就會執行probe函式的操作;
  • 從資料結構中可以看出,bus_type會維護兩個鏈表,分別用于掛接向其注冊的設備和驅動,而match函式就負責匹配檢測;
  • 各類驅動框架也都是基于圖中的機制來實作,在這之上進行封裝,比如I2C總線框架等;
  • 設備驅動模型中,包含了很多kset/kobject等內容,建議去看看之前的文章《linux設備模型之kset/kobj/ktype分析》
  • 好了,點到為止,感覺要跑題了,強行拉回來,

3.2 初始化

既然說到了設備驅動模型,那么首先我們要做的事情,就是先在內核里邊創建一個PCI總線,用于掛接PCI設備和PCI驅動,我們的實作來到了pci_driver_init()函式:

  • 內核在PCI框架初始化時會呼叫pci_driver_init()來創建一個PCI總線結構(全域變數pci_bus_type),這里描述的PCI總線結構,是指驅動匹配模型中的概念,PCI的設備和驅動都會掛在該PCI總線上;
  • pci_bus_type的函式操作介面也能看出來,pci_bus_match用來檢查設備與驅動是否匹配,一旦匹配了就會呼叫pci_device_probe函式,下邊針對這兩個函式稍加介紹;

3.2.1 pci_bus_match

  • 設備或者驅動注冊后,觸發pci_bus_match函式的呼叫,實際會去比對vendordevice等資訊,這個都是廠家固化的,在驅動中設定成PCI_ANY_ID就能支持所有設備;
  • 一旦匹配成功后,就會去觸發pci_device_probe的執行;

3.2.2 pci_device_probe

  • 實際的程序也是比較簡單,無非就是進行匹配,一旦匹配上了,直接呼叫驅動程式的probe函式,寫過驅動的同學應該就比較清楚后邊的流程了;

3.3 列舉

  • 我們還是順著設備驅動匹配的思路繼續開展;
  • 3.2節描述的是總線的創建,那么本節中的列舉,顯然就是設備的創建了;
  • 所謂設備的創建,就是在Linux內核中維護一些資料結構來對硬體設備進行描述,而硬體的描述又跟上文中的資料結構能對應上;

列舉的入口函式:pci_host_probe

  • 設備的掃描從pci_scan_root_bus_bridge開始,首先需要先向系統注冊一個host bridge,在注冊的程序中需要創建一個root bus,也就是bus 0,在pci_register_host_bridge函式中,主要是一系列的初始化和注冊作業,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向下掃描并添加設備,這個程序由pci_scan_child_bus_extend來完成;
  • pci_scan_child_bus_extend的流程可以看出,主要有兩大塊:
    1. PCI設備掃描,從回圈也能看出來,每條總線支持32個設備,每個設備支持8個功能,掃描完設備后將設備注冊進系統,pci_scan_device的程序中會去讀取PCI設備的配置空間,獲取到BAR的相關資訊,細節不表了;
    2. PCI橋設備掃描,PCI橋是用于連接上一級PCI總線和下一級PCI總線的,當發現有下一級總線時,創建子結構,并再次呼叫pci_scan_child_bus_extend的函式來掃描下一級的總線,從這個程序看,就是一個遞回程序,
  • 從設備的掃描程序看,這是一個典型的DFS(Depth First Search)程序,熟悉資料結構與演算法的同學應該清楚,這就類似典型的走迷宮的程序;

如果你對上述的流程還不清楚,再來一張圖:

  • 圖中的數字代表的就是掃描的程序,當遍歷到PCI橋設備的時候,會一直窮究到底,然后再回傳來;
  • 當列舉程序結束后,系統中就已經維護了PCI設備的各類資訊了,在設備驅動匹配模型中,總線和設備都已經具備了,剩下的就是寫個驅動了;

暫且寫這么多,細節方面不再贅述了,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,

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