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技術文章:如何撰寫 Linux PCI BUS I驅動程式
by 艾鍗學院, 2011-02-20 16:37, Views(10275)

因應系統主控制器 PCI驅動程式撰寫大不同

 

2011/2  Victor (本文作者為艾鍗學院講師)

PCI是一種可以擴充周邊元件的匯流排,在個人電腦上非常普遍,為一個共同的標準介面,可以讓很多的周邊元件附加在個人電腦上,雖然現在的嵌入式系統已經把很多的周邊系統做成系統單晶片(SoC)的中央處理器,但有時候在成本的考量下,PCI可以選擇所要擴充的周邊,避免SoC的中央處理器(CPU)成本過高,十分具有優勢。另外,把過多的周邊元件做成SoC,會造成CPU用電過高,更進而造成過高的溫度,必須使用其他的散熱元件,如鋁片或風扇等,反而造成產品體積變大並增加成本。

PCI的另一個好處是隨插即用(PNP),對資源的分配及取得也具有相當大的彈性,如此一來,軟體撰寫者也可受惠,除軟體較容易移植至不同的CPU平台外,也不須遷就不同的CPU而撰寫不同的程式。  

ARM控制器製造商多 PCI軟體須分別撰寫 

以硬體來說,PCI不同處在於它本身是一個高速傳輸標準;至於在軟體方面,因為x86只有一種CPU,其PCI主端控制晶片都一樣,並不會因為不同的生產廠商有所不同,因此在PCI主端的驅動程式都由作業系統廠商撰寫,但是採用安謀國際(ARM)所生產的PCI主端控制器都不同,所以軟體人員必須各別撰寫,以應付不同的中央處理器,故必須了解如何撰寫PCI主端驅動程式(圖1)。  

圖1 不同於x86的PCI主控端晶片,ARM架構的控制器種類繁多。

此外,PCI採取主從式架構,主端(Host)由主機板廠商負責,以x86平台而言,通常會留下幾個標準的擴充槽,讓使用者購買其他從端(Client)的擴充卡增加周邊元件,在以ARM為基礎的嵌入系統中,PCI主端會是在CPU內的SoC,對於從端的元件,原則上不會做成插卡式的擴充槽,通常是直接將PCI匯流排的訊號線從PCI主端連接至PCI從端,如此一來就可以節省空間及成本。  

PCI逐一分配周邊元件資源 

在開機程序中,開機時PCI主端會先初始化自我控制器,之後再將可分配及使用的資源和系統登錄,掃描是否有任何PCI從端的周邊元件連線上系統,一旦確認連線後,PCI主端則依照要求分配資源給其他周邊元件。分配結束之後,PCI主端須檢查是否有相對應的從端登錄驅動程式,以呼叫其所登錄的Call Back Function,Call Back Function則由PCI從端的驅動程式登錄,在Call Back Function中通常會完成元件初始化,PCI主端將會逐一針對連結上的PCI從端執行重覆的動作,直到完成所有周邊元件的資源分配。  

擔任主/從端橋梁 結構表擔任資源交換依據 

在PCI主端和PCI從端之間存在結構表(Configuration Table),該表具有二百五十六字元,並作為主端和從端之間溝通資源分配及資訊交換的依據(圖2),此表存放在PCI從端上,其中Vendor ID & Device ID屬於唯讀,並交由PCI主端儲存。PCI從端也是用這兩個ID向主端註冊,PCI主端也會依照此ID進行比對,當前面所提要呼叫從端時,才知道呼叫的驅動程式。PCI主端要求從端所執行的動作稱為指令,這些指令在PCI的標準受到定義。狀態是目前從端現狀的表示,也在PCI標準中有所定義。  

圖2 結構表

另外,非常重要的項目還包括Base Address Registers,它主要是用來描述PCI從端和主端的資源,而且它是一個可以雙向溝通的資料,對32位元的設備而言,總共最多有六個資源可以取得;若是64位元的設備,則最多只有三個資源可以取得,其實作法很簡單,就是將兩個32位元合成一個64位元。  

在此僅針對32位元的設備進行說明,因為目前64位元的嵌入式並不多見,在說明之前必須了解,當CPU和周邊進行溝通可以從有兩個路徑著手,分別為輸入/輸出(I/O)存取及記憶體存取。由於硬體有所差異,所以必須透過欄位使用最低的兩個位元,以表示需要的資源。以二進位來看,00代表需要記憶,01代表需要I/O,所要求的大小從位元2開始,若不需要則以零作為表示,不然則填上需要的數值大小,當PCI主端掃描之後,會填上從端周邊所分配到的起始位置,才完成資源的分配。  

毋須改變硬體架構 PCI主端僅改寫HAL 

在了解PCI匯流排的基本定義之後,接著必須了解實作部分。在PCI主端方面,因為前面所提的部分標準和硬體無關,或者可以說,硬體工作內容一樣,因為這部分已由GNU's Not Unix(GNU)撰寫完成,不須進行任何更動。這部分的原始碼在核心原始碼(Kernel Source)的drivers/pci目錄之下,使用者所要寫的是硬體抽象(HAL)層部分,必須在arch/arm/mach-xxxx的目錄之下,這個目錄是使用者移植(Porting)SoC時建立的目錄,其中的xxxx是使用者自行定義的名稱),撰寫一個PCI主端的一個C程式,而在這程式有幾個部分須要撰寫,首先須要宣告一個資料結構如下:  

struct hw_pci ixdp425_pci __initdata = {  

.nr_controllers = 1,  

.preinit = ixdp425_pci_preinit,  

.swizzle = pci_std_swizzle,  

.setup = ixp4xx_setup,  

.scan = ixp4xx_scan_bus,  

.map_irq = ixdp425_map_irq,  

};  

在此先說明一下這個資料結構的定義,其資料結構原型為struct hw_pci,其定義在arch/arm/mach/pci.h,這是核心版本2.6.31之後,ixdp425_pci則是使用者自行為資料稱呼的名字,__initdata定義為這個資料在核心初始化之後,會給予Free收回使用,至於各個資料成員的說明如下。  

.nr_controllers目的在指示PCI主端控制晶片的數量,正常來說,只有一個PCI主控端晶片。至於.preinit則是在初始化該PCI主端晶片組的Call Back Function,這也和每一個SoC有所不同,所必須進行的初始化內容也依SoC不盡相同,當註冊一個PCI主端時,第一個被呼叫的副程式,若有需要中斷的設定,必須要在此完成和系統註冊。  

.setup則是一個Call Back Function Pointer,這個副程式的原型為int ixp4xx_setup(int nr, struct pci_sys_data *sys),系統在呼叫PCI主控端晶片的時候,將會傳送一個序號nr及一個指標struct pci_sys_data *sys給PCI主控端晶片,這個指標須要填入這PCI主控端晶片可以使用的資源,以下是一個範例:  

struct resource *res;  

res = kzalloc(sizeof(*res) * 2, GFP_KERNEL);  

res[0].name = "PCI I/O Space";  

res[0].start = 0x00000000;  

res[0].end = 0x0000ffff;  

res[0].flags = IORESOURCE_IO;  

res[1].name = "PCI Memory Space";  

res[1].start = 0x4b000000;  

res[1].end = 0x4bffffff;  

res[1].flags = IORESOURCE_MEM  

request_resource(&ioport_resource, &res[0]);  

request_resource(&iomem_resource, &res[1]);  

sys->resource[0] = &res[0];  

sys->resource[1] = &res[1];  

sys->resource[2] = NULL;  

從以上的註冊系統將會保留所要的資源,而在之前所提的標準的PCI驅動器會協助分配資源給PCI從端,所以之後如何分配及管理這些資源,就不用費心了。.scan是系統要開始掃描在PCI匯流排有插上那些PCI從端時會呼叫的副程式,通常都會直接再輾轉呼叫系統的掃描程式,以下是其範例程式:  

return pci_scan_bus(sys->busnr, &ixp4xx_ops, sys);  

在以上的sys變數為系統傳過來的,ixp4xx_ops則是使用者所要準備的一些有關PCI匯流排設定的一些HAL Call Back Function,其內容為如下:  

struct pci_ops ixp4xx_ops = {  

.read = ixp4xx_pci_read_config,  

.write = ixp4xx_pci_write_config,  

};  

上面的read/write為在讀寫前面所談的結構表的方式,這和每一個晶片不同,其控制的位置也不同,所以根據每一顆系統單晶片來寫,而這兩個的函數原型如下:  

int ixp4xx_pci_read_config(struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, int size, u32 *value)  

int ixp4xx_pci_write_config(struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, int size, u32 value)  

在系統呼叫進來的匯流排資料結構中成員bus->number是這個系統中第幾個匯流排,在控制晶片時可能會用到,devfn則是slot number和function number的結合,可以使用巨集指令PCI_SLOT()或PCI_FUNC()分別取得其資訊,size則是表示1、2或4位元組的存取,where則是須要特別注意,它是在存取1、2位元組會用到,在二百五十六位元組結構表的相對位置,大部分的PCI主控端晶片會有boundary存取的問題,這邊須要特別注意做轉換,value則是較簡單,是讀取或寫入所放的值。  

.map_irq則是當PCI Host在掃描時在要指定IRQ時會呼叫這個副程式,而這個副程式則會回傳要指定的中斷號碼。  

當以上的資料準備好之後,你須要撰寫一個初始化的進入點,讓系統開機會呼叫這個初始化副程式,以下為其範例:  

int __init ixdp425_pci_init(void)  

{  

return pci_common_init(&ixdp425_pci);  

}  

subsys_initcall(ixdp425_pci_init);  

由以上的程式碼可以看到,該程式會直接呼叫系統的pci_common_init()而且給它前面所提的資料結構,當呼叫該系統程式時,系統會馬上呼叫所給的資料結構中的Preinit Call Back Function,之後會呼叫Setup Call Back Function,再接著就是呼叫Scan Call Back Function,如此而完成一個PCI主端的載入動作(圖3)。  

圖3 PCI載入動作流程圖

最後記得使用巨集指令subsys_initcall(),將所完成的副程式註冊為一個開機會被呼叫的副程式。  

透過暫存器產生I/O訊號 化解ARM僅具備記憶體存取限制 

原則上,上述應該就完成PCI主端的移植,因為在移植時只要完成這部分會和硬體有關的硬體抽象層即可,但是還是有一些地方必須注意,首先,在x86的平台上是有所謂的I/O存取,CPU本身就有此支援,CPU對周邊元件的存取方式,本來就有兩種,一種是記憶體存取,一種是I/O存取,而在PCI匯流排也有這兩種的存取方式,所以這兩種不同的存取方法,被視為兩種不同的資源,但是在ARM中央處理器中,沒有I/O存取,僅有記憶體存取,因此撰寫驅動程式會針對I/O存取使用inb()、oub()、inw()、outw()、inl()、outl()等副程式,若是記憶體存取則會使用readb()、writeb()、readw()、writew()、readl()、writel()等副程式,因為ARM中央處理器並沒有I/O存取的功能,所以在HAL層會改寫inx()、outx()等副程式內容,改成使用記憶體存取(圖4)。  

圖4 CPU存取示意圖

另外,I/O存取驅動程式所使用的資源,並不會將其轉換為虛擬位址,可能產生非法存取記憶體位置,因為核心須要使用虛擬位址驅動所有的程式碼,這一個部分可透過修改PCI從端的驅動程式碼化解疑慮,但缺點是原始碼只能使用在ARM平台,其他如x86的平台將無法採用相同的方法,另外也必須面臨修改驅動程式,因此並不是受歡迎的選擇。另一個解決方法是修改PCI主端的資源分配,就是之前有提到在初始化時須要將可分配的資源向系統註冊,註冊前先將其轉換為虛擬位址,再向系統註冊,此方法的優點為修改幅度小,且可避免如前一個方法的疑慮。  

值得注意的是,PCI主端的晶片有兩種,一種是其本身對PCI匯流排兩種不同存取方式的自動轉換,如果PCI從端是使用I/O存取方式的周邊,它會自動將ARM中央處理器的記憶體存取方式,自動轉換為I/O存取方式,所以將可達成前面對於第二種I/O存取的修改方式,而對於ARM中央處理器的記憶體存取方式,則直接轉換至PCI匯流排即可,對於PCI主控端晶片可省略很多工夫。但是有另外一種PCI匯流排晶片卻無法依此方法,這種晶片比較麻煩,必須將其中的一些暫存器在PCI匯流排上產生I/O存取的訊號,以下則是其寫法說明。  

首先,必須在arch/arm/mach-xxxx的目錄之下,建立一個檔案include/mach/io.h,注意其路徑及檔名不可更改,因為在整個核心原始碼中的Makefile及編譯時要尋找C語言的include file路徑都已寫好,更改將會造成編譯錯誤,在這個檔案之中將可以改寫ARM中央處理器已內定改好的inx()及outx()的副程式,若在這個檔案之中宣告如下:  

#define __io(v) __typesafe_io(v)  

表示使用ARM中央處理器中己改好的inx()及outx()副程式,這是使用PCI主端會自動轉換I/O存取至PCI匯流排的晶片,若不是所需要的修改如下: #define outb(p, v) __ixp4xx_outb(p, v)  

#define outw(p, v) __ixp4xx_outw(p, v)  

#define outl(p, v) __ixp4xx_outl(p, v)  

#define outsb(p, v, l) __ixp4xx_outsb(p, v, l)  

#define outsw(p, v, l) __ixp4xx_outsw(p, v, l)  

#define outsl(p, v, l) __ixp4xx_outsl(p, v, l)  

#define inb(p) __ixp4xx_inb(p)  

#define inw(p) __ixp4xx_inw(p)  

#define inl(p) __ixp4xx_inl(p)  

#define insb(p, v, l) __ixp4xx_insb(p, v, l)  

#define insw(p, v, l) __ixp4xx_insw(p, v, l)  

#define insl(p, v, l) __ixp4xx_insl(p, v, l)  

設計者必須針對每一個副程式重新定義至另一個改寫的內容,而這些改寫的內容,則是針對所使用的PCI主端晶片進行控制,請參考以下的範例:  

static inline void  

__ixp4xx_outb(u8 value, u32 addr)  

{  

u32 n, byte_enables, data;  

n = addr % 4;  

byte_enables = (0xf & ~BIT(n)) << IXP4XX_ PCI_NP_CBE_BESL;  

data = value << (8*n);  

..............................  

}  

............................  

static inline u8  

__ixp4xx_inb(u32 addr)  

{  

u32 n, byte_enables, data;  

n = addr % 4;  

byte_enables = (0xf & ~BIT(n)) << IXP4XX_ PCI_NP_CBE_BESL;  

..........................  

return data >> (8*n);  

}  

.................................  

另外幾個和I/O有關的副程式也必須重新改寫如下:  

#define ioread8(p) __ixp4xx_ioread8(p)  

#define ioread16(p) __ixp4xx_ioread16(p)  

#define ioread32(p) __ixp4xx_ioread32(p)  

#define ioread8_rep(p, v, c)  

__ixp4xx_ioread8_rep(p, v, c)  

#define ioread16_rep(p, v, c)  

__ixp4xx_ioread16_rep(p, v, c)  

#define ioread32_rep(p, v, c)  

__ixp4xx_ioread32_rep(p, v, c)  

#define iowrite8(v,p)  

__ixp4xx_iowrite8(v,p)  

#define iowrite16(v,p)  

__ixp4xx_iowrite16(v,p)  

#define iowrite32(v,p)  

__ixp4xx_iowrite32(v,p)  

#define iowrite8_rep(p, v, c)  

__ixp4xx_iowrite8_rep(p, v, c)  

#define iowrite16_rep(p, v, c)  

__ixp4xx_iowrite16_rep(p, v, c)  

#define iowrite32_rep(p, v, c)  

__ixp4xx_iowrite32_rep(p, v, c)  

#define ioport_map(port, nr)  

((void __iomem*)(port + PIO_OFFSET))  

#define ioport_unmap(addr)  

#define PIO_OFFSET 0x10000UL  

#define PIO_MASK 0x0ffffUL  

#define __is_io_address(p)  

(((unsigned long)p >= PIO_OFFSET) &&  

((unsigned long)p<=(PIO_MASK + PIO_OFFSET)))  

static inline unsigned int  

__ixp4xx_ioread8(const void __iomem *addr)  

{ unsigned long port = (unsigned long __force)addr;  

if (__is_io_address(port))  

return (unsigned int)__ixp4xx_inb(port & PIO_MASK);  

else return (unsigned int)__ixp4xx_readb(addr);  

}  

..........................................  

static inline void  

__ixp4xx_iowrite8(u8 value, void __iomem *addr)  

{  

unsigned long port = (unsigned long __force)addr;  

if (__is_io_address(port))  

__ixp4xx_outb(value, port & PIO_MASK);  

Else  

__ixp4xx_writeb(value, addr);  

} ....................................

除此之外,有些PCI主端的晶片對於ARM中央處理器的記憶體存取方式,也不會直接自動轉換至PCI匯流排,和I/O存取一樣必須控制PCI主端晶片,進而產生一個PCI匯流排上的記憶體存取,其改寫內容十分類似I/O改寫,若不須要改寫,使用ARM中央處理器內定的程式碼則必須有以下的宣告:  

#define __mem_pci(a) (a)  

若要改寫以下為其範例:  

#define writeb(v, p) __ixp4xx_writeb(v, p)  

#define writew(v, p) __ixp4xx_writew(v, p)  

#define writel(v, p) __ixp4xx_writel(v, p)  

#define writesb(p, v, l) __ixp4xx_writesb(p, v, l)  

#define writesw(p, v, l) __ixp4xx_writesw(p, v, l)  

#define writesl(p, v, l) __ixp4xx_writesl(p, v, l)  

#define readb(p) __ixp4xx_readb(p)  

#define readw(p) __ixp4xx_readw(p)  

#define readl(p) __ixp4xx_readl(p)  

#define readsb(p, v, l) __ixp4xx_readsb(p, v, l)  

#define readsw(p, v, l) __ixp4xx_readsw(p, v, l)  

#define readsl(p, v, l) __ixp4xx_readsl(p, v, l)  

static inline void  

__ixp4xx_writeb(u8 value, volatile void __iomem *p)  

{  

....................................  

if (addr >= VMALLOC_START) {  

__raw_writeb(value, addr);  

return;  

}  

.............................  

}  

....................................  

/*  

* We can use the built-in functions b/c they end up calling writeb/readb  

*/  

#define memset_io(c,v,l) _memset_io((c),(v),(l))  

#define memcpy_fromio(a,c,l)  

_memcpy_fromio((a),(c),(l))  

#define memcpy_toio(c,a,l)  

_memcpy_toio((c),(a),(l))  

PCI轉記憶體為虛擬位址 

最後仍一個問題須要特別注意,通常使用記憶體存取之前,可以將一個實體記憶體轉換為虛擬位址,若PCI主端是前面的方式,須要使用PCI主端來產生一個存取動作,那麼也可改寫ioremap() & iounmap()的副程式,其範例程式如下:  

static inline void __iomem *  

__ixp4xx_ioremap(unsigned long addr, size_t size, unsigned int mtype) {  

if((addr < PCIBIOS_MIN_MEM) || (addr > 0x4fffffff))  

return __arm_ioremap(addr, size, mtype);  

return (void __iomem *)addr;  

}  

static inline void  

__ixp4xx_iounmap(void __iomem *addr)  

{  

if ((__force u32)addr >= VMALLOC_START)  

__iounmap(addr);  

}  

#define __arch_ioremap(a, s, f) __ixp4xx_ioremap(a, s, f)  

#define __arch_iounmap(a) __ixp4xx_iounmap(a)  

到達此步驟,應該已經可以完成PCI主端程式的設定,而且可以讓PCI從端的程式具有相容性,且可使用於多種中央處理器之下,建立這種相容性的目的,主要是因為PCI從端的驅動程式可能由晶片廠商提供,但是只有在x86的平台測試過,為了可以正確地使用這些原始碼,了解以上述所提及的概念為當務之急。  

(本文作者為艾鍗學院教學中心講師)