pci总线驱动.doc

在总结的过程中参考了下面一些资料，在此表示感谢：1 2 3 4 3rd Edition. 1. 总线、设备和驱动1.1 简单介绍Linux设备模型中三个很重要的概念就是总线、设备和驱动，即bus，device和driver。它们分别对应的数据结构分别为struct bus_type，struct device和struct device_driver。总线是处理器与一个或多个设备之间的通道，在设备模型中，所有的设备都通过总线相连。在最底层，Linux系统中的每一个设备都用device结构的一个实例来表示。而驱动则是使总线上的设备能够完成它应该完成的功能。在系统中有多种总线，如PCI总线、SCSI总线等。系统中的多个设备和驱动是通过总线让它们联系起来的。在bus_type中两个很重要的成员就是struct kset drivers和struct kset devices。它分别代表了连接在这个总线上的两个链，一个是设备链表，另一个则是设备驱动链表。也就是说，通过一个总线描述符，就可以找到挂载到这条总线上的设备，以及支持该总线的不同的设备驱动程序。1.2 总线、设备与驱动的绑定在系统启动时，它会对每种类型的总线创建一个描述符，并将使用该总线的设备链接到该总线描述符的devices链上来。也即是说在系统初始化时，它会扫描连接了哪些设备，并且为每个设备建立一个struce device变量，然后将该变量链接到这个设备所连接的总线的描述符上去。另一方面，每当加载了一个设备驱动，则系统也会准备一个struct device_driver结构的变量，然后再将这个变量也链接到它所在总线的描述符的drivers链上去。 对于设备来说，在结构体struct device中有两个重要的成员，一个是struct bus_type *bus，另一个是struct device_driver *driver。bus成员就表示该设备是链接到哪一个总线上的，而driver成员就表示当前设备是由哪个驱动程序所驱动的。对于驱动程序来说，在结构体struct device_driver中也有两个成员，struct bus_type *bus和struct list_head devices，这里的bus成员也是指向这个驱动是链接到哪个总线上的，而devices这个链表则是表示当前这个驱动程序可以去进行驱动的那些设备。一个驱动程序可以支持一个或多个设备，而一个设备则只会绑定给一个驱动程序。对于device与device_driver之间建立联系的方式，主要有两种方式。第一种，在计算机启动的时候，总线开始扫描连接在其上的设备，为每个设备建立一个struct device变量并链接到该总线的devices链上，然后开始初始化不同的驱动程序，驱动程序到它所在的总线的devices链上去遍历每一个还没有被绑定给某个驱动的设备，然后再查看是否能够支持这种设备，如果它能够支持这种设备，则将这个设备与这个驱动联系起来。即，将这个设备的device变量加到驱动的devices链上，同时让struct device中的device_driver指向当前这个驱动。第二种则是热插拔。也即是在系统运行时插入了设备，此时内核会去查找在该bus链上注册了的device_driver，然后再将设备与驱动联系起来。设备与驱动根据什么规则联系起来，它们是如何被联系起来的代码我们将在后面的章节进行详细的描述。1.3 PCI总线PCI是一种在CPU与I/O设备之间进行高速数据传输的一种总线。有很多设备都是使用PCI总线的，网卡就是其中之一。我们在前面讲了那些总线、设备与驱动方面的知识，原因就在于网卡是连接到PCI总线上，所以PCI总线、网卡设备以及网卡驱动就成了我们研究网卡的一个很重要的线索，尤其是在网络的链路层部分。下图显示了在一个系统中PCI设备的一个框图：下载 (30.81 KB)PCI2008-12-15 22:46PCI子系统声明了一个bus_type结构，为pci_bus_type。它就是PCI总线的描述符。在这个变量上，链接了PCI设备以及支持PCI设备的驱动程序。1.4 PCI设备与驱动PCI设备通常由一组参数唯一地标识，它们被vendorID，deviceID和class nodes所标识，即设备厂商，型号等，这些参数保存在pci_device_id结构中。每个PCI设备都会被分配一个pci_dev变量，内核就用这个数据结构来表示一个PCI设备。所有的PCI驱动程序都必须定义一个pci_driver结构变量，在该变量中包含了这个PCI驱动程序所提供的不同功能的函数，同时，在这个结构中也包含了一个device_driver结构，这个结构定义了PCI子系统与PCI设备之间的接口。在注册PCI驱动程序时，这个结构将被初始化，同时这个pci_driver变量会被链接到pci_bus_type中的驱动链上去。在pci_driver中有一个成员struct pci_device_id *id_table，它列出了这个设备驱动程序所能够处理的所有PCI设备的ID值。1.5 PCI设备与驱动的绑定过程下面描述一下对于PCI设备与驱动绑定的过程。首先在系统启动的时候，PCI总线会去扫描连接到这个总线上的设备，同时为每一个设备建立一个pci_dev结构，在这个结构中有一个device成员，并将这些pci_dev结构链接到PCI总线描述符上的devices链。如下图所示：下载 (10.07 KB)init12008-12-15 22:46第二步是当PCI驱动被加载时，pci_driver结构体将被初始化，这一过程在函数pci_register_driver中：drv-driver.bus = &pci_bus_type;be = pci_device_probe;最后会调用driver_register(&drv-driver)将这个PCI驱动挂载到总线描述符的驱动链上。同时在注册的过程中，会根据pci_driver中的id_table中的ID值去查看该驱动支持哪些设备，将这些设备挂载到pci_driver中的devices链中来。如下图所示：下载 (16.15 KB)init22008-12-15 22:46对于不同的设备，可能驱动程序也不一样，因此，对于上图中的Dev3，可能就需要另外一个驱动程序来对其进行驱动。所以当加载了Dev3的驱动程序时，其示意图如下图所示：下载 (20.82 KB)init32008-12-15 22:46上面这三个示意图就描述了总线、设备以及驱动在系统中是如何进行相互联系的。前面对于驱动注册这些函数的描述较为简单，因为网卡是一个PCI设备，因此在后面具体地讲到网卡注册时再来详细地讲解和PCI相关的注册等函数。1.6 小结本部分主要讲解了总线、设备以及驱动方面的一些知识，由于网卡是一个PCI设备，因此具体地讲到了一点PCI总线、PCI设备及相应的PCI驱动方面的知识，但是由于PCI本身就是很大的一个子系统，因此这里不可能对其进行详细地讲解，在后面对网卡的分析中，将对网卡中涉及到的和PCI相关的部分进行讲解。2. 网卡在PCI层的注册2.1 数据结构前面第一章讲了总线、设备以及驱动方面的关系，也讲到了大多数网卡设备实际上是一个PCI设备。因此，本章就讲解网卡设备在注册时是如何注册到PCI总线上去的。在这里，以Intel的E100网卡驱动进行讲解。前面讲到每个PCI设备都由一组参数唯一地标识，这些参数保存在结构体pci_device_id中，如下所示：struct pci_device_id _u32 vendor, device; /* Vendor and device ID or PCI_ANY_ID*/_u32 subvendor, subdevice; /* Subsystem IDs or PCI_ANY_ID */_u32 class, class_mask; /* (class,subclass,prog-if) triplet */kernel_ulong_t driver_data; /* Data private to the driver */;复制代码每个PCI设备驱动都有一个pci_driver变量，它描述了一个PCI驱动的信息，如下所示：struct pci_driver struct list_head node;char *name;const struct pci_device_id *id_table; /* must be non-NULL for probe to be called */int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id); /* New device inserted */void (*remove) (struct pci_dev *dev); /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */int (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state); /* Device suspended */int (*suspend_late) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);int (*resume_early) (struct pci_dev *dev);int (*resume) (struct pci_dev *dev); /* Device woken up */int (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int enable); /* Enable wake event */void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);struct pci_error_handlers *err_handler;struct device_driver driver;struct pci_dynids dynids;int multithread_probe;复制代码每个PCI驱动中都有一个id_table成员变量，记录了当前这个驱动所能够进行驱动的那些设备的ID值。对于E100网卡驱动来说，它的pci_driver变量定义为：static struct pci_driver e100_driver = .name = DRV_NAME,.id_table = e100_id_table,.probe = e100_probe,.remove = _devexit_p(e100_remove),#ifdef CONFIG_PM/* Power Management hooks */.suspend = e100_suspend,.resume = e100_resume,#endif.shutdown = e100_shutdown,.err_handler = &e100_err_handler,;复制代码里面e100_id_table就表示该E100驱动所能够支持的PCI设备的ID号，其定义为：#define INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(device_id, ich) PCI_VENDOR_ID_INTEL, device_id, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, PCI_CLASS_NETWORK_ETHERNET 8, 0xFFFF00, ich static struct pci_device_id e100_id_table = INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1029, 0),INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1030, 0), 0, ;复制代码当PCI层检测到一个PCI设备能够被某PCI驱动所支持时（这是通过函数pci_match_one_device来进行检测的），就会调用这个PCI驱动上的probe函数，在该函数中会对该特定的PCI设备进行一些具体的初始化等操作。比如对于E100设备驱动来说，其probe函数为e100_probe。在这个函数中，会对网卡设备进行初始化。e100_probe主要就涉及到网卡设备net_device的初始化，我们现在先来关注一下从网卡注册一直到调用e100_probe这一个过程的整个流程。2.2 E100初始化E100驱动程序的初始化是在函数e100_init_module()中的，如下：static int _init e100_init_module(void)if(1 _pci_register_driver()/* _pci_register_driver - register a new pci driver* drv: the driver structure to register* owner: owner module of drv* mod_name: module name string* * Adds the driver structure to the list of registered drivers.* Returns a negative value on error, otherwise 0. * If no error occurred, the driver remains registered even if * no device was claimed during registration.*/ int _pci_register_driver(struct pci_driver *drv, struct module *owner, const char *mod_name);在函数中有几个初始化语句： = drv-name;drv-driver.bus = &pci_bus_type;drv-driver.owner = owner;drv-driver.mod_name = mod_name;复制代码即是将PCI设备中的driver变量的总线指向pci_bus_type这个总线描述符，同时设置驱动的名字等。pci_bus_type定义如下：struct bus_type pci_bus_type = .name = pci,.match = pci_bus_match,.uevent = pci_uevent,.probe = pci_device_probe,.remove = pci_device_remove,.suspend = pci_device_suspend,.suspend_late = pci_device_suspend_late,.resume_early = pci_device_resume_early,.resume = pci_device_resume,.shutdown = pci_device_shutdown,.dev_attrs = pci_dev_attrs,;复制代码然后再调用函数driver_register(&drv-driver);通过这个函数将这个PCI驱动中的struct device_driver driver成员变量注册到系统中去。pci_register_driver()-_pci_register_driver()-driver_register()driver_register()代码如下：/* driver_register - register driver with bus* drv: driver to register* We pass off most of the work to the bus_add_driver() call,* since most of the things we have to do deal with the bus* structures.* The one interesting aspect is that we setup drv-unloaded* as a completion that gets complete when the driver reference* count reaches 0.*/int driver_register(struct device_driver * drv)if (drv-bus-probe & drv-probe) |(drv-bus-remove & drv-remove) |(drv-bus-shutdown & drv-shutdown) printk(KERN_WARNING Driver %s needs updating - please use bus_type methodsn, drv-name);klist_init(&drv-klist_devices, NULL, NULL);init_completion(&drv-unloaded);return bus_add_driver(drv);复制代码klist_init()是为设备驱动的klist_devices成员进行初始化，这个klist_devices是一个对链表进行操作的包裹结构，它会链接这个驱动能够支持的那些设备。最后就调用bus_add_driver()函数。这个函数的功能就是将这个驱动加到其所在的总线的驱动链上。pci_register_driver()-_pci_register_driver()-driver_register()-bus_add_driver()-driver_attach()在bus_add_driver()函数中，最重要的是调用driver_attach()函数，其定义如下：/* driver_attach - try to bind driver to devices.* drv: driver.* Walk the list of devices that the bus has on it and try to* match the driver with each one. If driver_probe_device()* returns 0 and the dev-driver is set, weve found a* compatible pair.*/int driver_attach(struct device_driver * drv)return bus_for_each_dev(drv-bus, NULL, drv, _driver_attach);复制代码该函数遍历这个驱动所在的总线上的所有设备，然后将这些设备与当前驱动进行匹配，以检测这个驱动是否能够支持某个设备，也即是将设备与驱动联系起来。bus_for_each_dev函数是扫描在drv-bus这个总线上的所有设备，然后将每个设备以及当前驱动这两个指针传递给_driver_attach函数。pci_register_driver()-_pci_register_driver()-driver_register()-bus_add_driver()-driver_attach()-_driver_attach()_driver_attach()函数是将驱动与设备联系起来的函数。static int _driver_attach(struct device * dev, void * data)struct device_driver * drv = data;/* Lock device and try to bind to it. We drop the error* here and always return 0, because we need to keep trying* to bind to devices and some drivers will return an error* simply if it didnt support the device.* driver_probe_device() will spit a warning if there* is an error.*/if (dev-parent) /* Needed for USB */down(&dev-parent-sem);down(&dev-sem);if (!dev-driver)driver_probe_device(drv, dev);up(&dev-sem);if (dev-parent)up(&dev-parent-sem);return 0;复制代码在函数中有两条语句：if (!dev-driver)driver_probe_device(drv, dev);复制代码也即是判断当前设备是否已经注册了一个驱动，如果没有注册驱动，则调用driver_probe_device()函数。pci_register_driver()-_pci_register_driver()-driver_register()-bus_add_driver()-driver_attach()-_driver_attach()-driver_probe_device()如下：/* driver_probe_device - attempt to bind device & driver together* drv: driver to bind a device to* dev: device to try to bind to the driver* First, we call the buss match function, if one present, which should* compare the device IDs the driver supports with the device IDs of the* device. Note we dont do this ourselves because we dont know the* format of the ID structures, nor what is to be considered a match and* what is not.* This function returns 1 if a match is found, an error if one occurs* (that is not -ENODEV or -ENXIO), and 0 otherwise.* This function must be called with dev-sem held. When called for a* USB interface, dev-parent-sem must be held as well.*/int driver_probe_device(struct device_driver * drv, struct device * dev)struct stupid_thread_structure *data;struct task_struct *probe_task;int ret = 0;if (!device_is_registered(dev)return -ENODEV;if (drv-bus-match & !drv-bus-match(dev, drv)goto done;pr_debug(%s: Matched Device %s with Driver %sn,drv-bus-name, dev-bus_id, drv-name);data = kmalloc(sizeof(*data), GFP_KERNEL);if (!data)return -ENOMEM;data-drv = drv;data-dev = dev;if (drv-multithread_probe) probe_task = kthread_run(really_probe, data,probe-%s, dev-bus_id);if (IS_ERR(probe_task)ret = really_probe(data); elseret = really_probe(data);done:return ret; 复制代码该函数首先会调用总线上的match函数，以判断当前的PCI驱动能否支持该PCI设备，如果可以，则继续往后面执行。drv-bus-match函数也即是pci_bus_type中的match成员变量，它为pci_bus_match函数。pci_register_driver()-_pci_register_driver()-driver_register()-bus_add_driver()-driver_attach()-_driver_attach()-driver_probe_device()-pci_bus_match()/* pci_bus_match - Tell if a PCI device structure has a matching PCI device id structure* dev: the PCI device structure to match against* drv: the device driver to search for matching PCI device id structures* * Used by a driver to check whether a PCI device present in the* system is in its list of supported devices. Returns the matching* pci_device_id structure or %NULL if there is no match.*/static int pci_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)struct pci_dev *pci_dev = to_pci_dev(dev);struct pci_driver *pci_drv = to_pci_driver(drv);const struct pci_device_id *found_id;found_id = pci_match_device(pci_drv, pci_dev);if (found_id)return 1;return 0;复制代码pci_bus_match函数的作用就是将PCI设备与PCI驱动进行比较以检查该驱动是否能够支持这个设备。在函数的最前面是两个宏to_pci_dev和to_pci_driver。因为在函数执行的过程中，虽然最开始传进来的是pci_driver结构与pci_dev结构，但是在执行的时候却取了这两个结构体中的device_driver和device成员变量，所以现在就要通过这两个成员变量找到之前对应的pci_driver和pci_dev结构的地址。#define to_pci_dev(n) container_of(n, struct pci_dev, dev)#define to_pci_driver(drv) container_of(drv,struct pci_driver, driver)这两个宏在 3rd书上有相应的讲解，这里也就是找到E100的pci_driver：e100_driver以及该网卡设备的pci_dev结构。现在就要对它们进行比较以看它们之间是否能够联系起来。这是通过函数pci_match_device实现的。pci_register_driver()-_pci_register_driver()-driver_register()-bus_add_driver()-driver_attach()-_driver_attach()-driver_probe_device()-pci_bus_match()-pci_match_device()/* pci_match_device - Tell if a PCI device structure has a matching PCI device id structure* drv: the PCI driver to match against* dev: the PCI device structure to match against* Used by a driver to check whether a PCI device present in the* system is in its list of supported devices. Returns the matching* pci_device_id structure or %NULL if there is no match.*/const struct pci_device_id *pci_match_device(struct pci_driver *drv,struct pci_dev *dev)struct pci_dynid *dynid;/* Look at the dynamic ids first, before the static ones */spin_lock(&drv-dynids.lock);list_for_each_entry(dynid, &drv-dynids.list, node) if (pci_match_one_device(&dynid-id, dev) spin_unlock(&drv-dynids.lock);return &dynid-id;spin_unlock(&drv-dynids.lock);return pci_match_id(drv-id_table, dev);复制代码pci_match_one_driver函数的作用是将一个PCI设备与PCI驱动进行比较，以查看它们是否相匹配。如果相匹配，则返回匹配的pci_device_id结构体指针。此时，如果该PCI驱动已经找到了一个可以想符的PCI设备，则返回，然后再退回到之前的driver_probe_device函数中。在该函数最后将调用really_probe函数。将device_driver与device结构体指针作为参数传递到这个函数中。下面几行是调用驱动或者总线的probe函数来扫描设备。pci