【原创】Linux PCI驱动框架分析（二）

背 景

• Read the fucking source code! --By 鲁迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明：

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

1. 概述

• 本文将分析Linux PCI子系统的框架，主要围绕Linux PCI子系统的初始化以及枚举过程分析；
• 如果对具体的硬件缺乏了解，建议先阅读上篇文章《Linux PCI驱动框架分析（一）》；

话不多说，直接开始。

2. 数据结构

• PCI体系结构的拓扑关系如图所示，而图中的不同数据结构就是用于来描述对应的模块；
• Host Bridge连接CPU和PCI系统，由struct pci_host_bridge描述；
• struct pci_dev描述PCI设备，以及PCI-to-PCI桥设备；
• struct pci_bus用于描述PCI总线，struct pci_slot用于描述总线上的物理插槽；

来一张更详细的结构体组织图：

• 总体来看，数据结构对硬件模块进行了抽象，数据结构之间也能很便捷的构建一个类似PCI子系统物理拓扑的关系图；
• 顶层的结构为pci_host_bridge，这个结构一般由Host驱动负责来初始化创建；
• pci_host_bridge指向root bus，也就是编号为0的总线，在该总线下，可以挂接各种外设或物理slot，也可以通过PCI桥去扩展总线；

3. 流程分析

3.1 设备驱动模型

Linux PCI驱动框架，基于Linux设备驱动模型，因此有必要先简要介绍一下，实际上Linux设备驱动模型也是一个大的topic，先挖个坑，有空再来填。来张图吧：

• 简单来说，Linux内核建立了一个统一的设备模型，分别采用总线、设备、驱动三者进行抽象，其中设备与驱动都挂在总线上，当有新的设备注册或者新的驱动注册时，总线会去进行匹配操作（match函数），当发现驱动与设备能进行匹配时，就会执行probe函数的操作；
• 从数据结构中可以看出，bus_type会维护两个链表，分别用于挂接向其注册的设备和驱动，而match函数就负责匹配检测；
• 各类驱动框架也都是基于图中的机制来实现，在这之上进行封装，比如I2C总线框架等；
• 设备驱动模型中，包含了很多kset/kobject等内容，建议去看看之前的文章《linux设备模型之kset/kobj/ktype分析》
• 好了，点到为止，感觉要跑题了，强行拉回来。

3.2 初始化

既然说到了设备驱动模型，那么首先我们要做的事情，就是先在内核里边创建一个PCI总线，用于挂接PCI设备和PCI驱动，我们的实现来到了pci_driver_init()函数：

• 内核在PCI框架初始化时会调用pci_driver_init()来创建一个PCI总线结构（全局变量pci_bus_type），这里描述的PCI总线结构，是指驱动匹配模型中的概念，PCI的设备和驱动都会挂在该PCI总线上；
• 从pci_bus_type的函数操作接口也能看出来，pci_bus_match用来检查设备与驱动是否匹配，一旦匹配了就会调用pci_device_probe函数，下边针对这两个函数稍加介绍；

3.2.1 pci_bus_match

• 设备或者驱动注册后，触发pci_bus_match函数的调用，实际会去比对vendor和device等信息，这个都是厂家固化的，在驱动中设置成PCI_ANY_ID就能支持所有设备；
• 一旦匹配成功后，就会去触发pci_device_probe的执行；

3.2.2 pci_device_probe

• 实际的过程也是比较简单，无非就是进行匹配，一旦匹配上了，直接调用驱动程序的probe函数，写过驱动的同学应该就比较清楚后边的流程了；

3.3 枚举

• 我们还是顺着设备驱动匹配的思路继续开展；
• 3.2节描述的是总线的创建，那么本节中的枚举，显然就是设备的创建了；
• 所谓设备的创建，就是在Linux内核中维护一些数据结构来对硬件设备进行描述，而硬件的描述又跟上文中的数据结构能对应上；

枚举的入口函数：pci_host_probe

• 设备的扫描从pci_scan_root_bus_bridge开始，首先需要先向系统注册一个host bridge，在注册的过程中需要创建一个root bus，也就是bus 0，在pci_register_host_bridge函数中，主要是一系列的初始化和注册工作，此外还为总线分配资源，包括地址空间等；
• pci_scan_child_bus开始，从bus 0向下扫描并添加设备，这个过程由pci_scan_child_bus_extend来完成；
• 从pci_scan_child_bus_extend的流程可以看出，主要有两大块：
  1. PCI设备扫描，从循环也能看出来，每条总线支持32个设备，每个设备支持8个功能，扫描完设备后将设备注册进系统，pci_scan_device的过程中会去读取PCI设备的配置空间，获取到BAR的相关信息，细节不表了；
  2. PCI桥设备扫描，PCI桥是用于连接上一级PCI总线和下一级PCI总线的，当发现有下一级总线时，创建子结构，并再次调用pci_scan_child_bus_extend的函数来扫描下一级的总线，从这个过程看，就是一个递归过程。
• 从设备的扫描过程看，这是一个典型的DFS（Depth First Search）过程，熟悉数据结构与算法的同学应该清楚，这就类似典型的走迷宫的过程；

如果你对上述的流程还不清楚，再来一张图：

• 图中的数字代表的就是扫描的过程，当遍历到PCI桥设备的时候，会一直穷究到底，然后再返回来；
• 当枚举过程结束后，系统中就已经维护了PCI设备的各类信息了，在设备驱动匹配模型中，总线和设备都已经具备了，剩下的就是写个驱动了；

暂且写这么多，细节方面不再赘述了，把握大体的框架即可，无法扼住PCI的咽喉，那就扼住它的骨架吧。

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