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6.7 总线系统
6.7.2 PCI总线
6.7.3 USB
6.8 小结
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6.7 总线系统
6.7.2 PCI总线
PCI由Intel开发，用于替代ISA。
PCI已过时，目前采用PCIe。
PCI特点：
高带宽传输。
易配置。
与平台无关。
1. PCI系统的布局
设备标识
PCI总线上的每个设备，有3个编号：
1. 总线编号（bus number）：
设备所在总线的编号。
系统最多255个总线。
2. 插槽编号（slot number）：
一个总线内部编号。不同总线设备插槽编号可能相同。
一个总线最多有32个设备插槽。
3. 功能编号（function number）：
区分一个扩展卡上多个不同设备。
最大为8。
每个设备有一个16位编号标识：
8位总线编号 + 5位插槽编号 + 3位功能编号 最大值255/32/8
地址空间
PCI设备有三个地址空间：
IO空间：32bit，最大4G空间。
数据空间：32bit或64bit 根据CPU位数决定。
配置空间：包含vendor，设备类型等信息。
三个地址空间可被映射到系统的虚拟内存中。
配置信息
PCI总线无跳线，支持可通过软件配置。即使用配置空间。
PCI设备的配置空间：
256字节。
前64字节是标准化的，但都是非强制，而某些项是可选的。
剩余空间自由使用。
前64字节如上图，深色部分是强制要求的。
配置空间介绍：
Vendor ID：厂商ID，由PCI组织分配。
Device ID：由厂商自己内部分配。
Rev ID：版本ID，可用于选择驱动版本。
Class Code：用于将设备分为不同功能组，共24bit。
前8bit为基类，后16bit是子类。如：
基类：存储（PCI_BASE_CLASS_STORAGE）
子类：
PCI_CLASS_STORAGE_SCSI
PCI_CLASS_STORAGE_SATA
PCI_CLASS_STORAGE_IDE
PCI_CLASS_STORAGE_SAS
基类：网络（PCI_BASE_CLASS_NETWORK）
子类：
PCI_CLASS_NETWORK_ETHERNET
PCI_CLASS_NETWORK_TOKEN_RING
PCI_CLASS_NETWORK_FDDI
PCI_CLASS_NETWORK_ATM
基类：系统组件（PCI_BASE_CLASS_SYSTEM）
子类：
PCI_CLASS_SYSTEM_DMA
PCI_CLASS_SYSTEM_TIMER
PCI_CLASS_SYSTEM_RTC
Base Address 0-5: 32bit
指定了设备内存或I/O端口在PCI总线地址空间中的位置（可映射到内存）。
64位设备中可两两合并3个base address。
IRQ Line：
值范围：0-255
用于指定设备使用的中断。
其余字段由硬件使用。
2. 内核中的实现
数据结构
struct pci_bus：
一个PCI总线。
struct pci_dev：
一个PCI设备。
struct pci_driver：
一个PCI驱动。
struct list_head pci_root_buses：
作用：连接系统所有PCI总线，用于遍历。
总线的表示
struct pci_bus {
struct list_head node; //用于连接到全局总线链表
struct pci_bus *parent; //父总线
struct list_head children; //子总线链表
struct list_head devices; //该总线上的所有设备
struct pci_dev *self;
//对于桥设备，指向该桥设备的struct pci_dev实例。
struct list_head slots;
//连接该总线的所有插槽。
struct resource *resource[PCI_BRIDGE_RESOURCE_NUM];
//该总线的系统资源，如IO端口，IO内存。
struct pci_ops *ops;
//用于访问配置空间的函数，如：
总线扫描、设备枚举、资源分配与释放、电源管理等。
void *sysdata;
struct proc_dir_entry *procdir; //向/proc/bus/pci导出总线信息
unsigned char number; //总线编号
unsigned char primary;
//桥设备创建的子总线，指示该总线是否为主桥。
char name[48]; //如："PCI Bus #01"
struct device dev;
};
除总线0外，其余总线可只通过一个PCI桥接器寻址。
桥接器：用于连接PCI总线，也算一个PCI设备。
设备管理
pci_dev：
描述一个PCI设备。
struct pci_dev {
struct list_head bus_list; //连接同一PCI总线下的PCI设备。
struct pci_bus *bus; //所属总线。
struct pci_bus *subordinate;
//若为PCI桥，用于连接该PCI桥下总线上的设备。
struct proc_dir_entry *procent;
//proc文件系统中表示。
struct pci_slot *slot;
//该设备所在插槽。
unsigned short vendor;
unsigned short device;
//该设备的vendor ID和device ID。
struct pci_driver *driver; //该设备的驱动。
struct device dev; //内核通用设备模型。
unsigned int irq; //该设备的中断号。
struct resource resource[DEVICE_COUNT_RESOURCE];
//IO端口，IO内存等资源。
};
驱动程序
pci_driver：表示一个PCI驱动程序。
struct pci_driver {
struct list_head node; //连接到全局PCI驱动列表。方便遍历查找PCI驱动
const char *name;
struct pci_device_id *id_table;
//定义该驱动可管理的设备列表，每个条目包含Vendor ID、Device ID等标识符。
int (*probe)(struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);
//热插入一个新PCI设备，且与id_table中一个设备匹配时，调用此回调函数。
void (*remove)(struct pci_dev *dev);
//热拔出一个一个新PCI设备时，调用该函数。
int (*suspend)(struct pci_dev *dev, pm_message_t state);
int (*resume)(struct pci_dev *dev);
void (*shutdown)(struct pci_dev *dev);
//电源管理。
struct device_driver driver; //通用驱动模型。
};
注册驱动程序
int pci_register_driver(struct pci_driver *drv, struct module *owner, const char *mod_name)
{
drv->driver.name = drv->name;
drv->driver.bus = &pci_bus_type;
drv->driver.owner = owner;
drv->driver.mod_name = mod_name;
return driver_register(&drv->driver);
}
一个驱动程序中需填写一个struct pci_device_id数组，并赋值给struct pci_device_id *id_table; 表示该驱动程序可管理的设备列表。
举例：
int __init my_pci_driver_init(void)
{
return pci_register_driver(&my_pci_driver);
}
static struct pci_driver my_pci_driver = {
.name = "my-pci",
.id_table = my_pci_ids,
.probe = my_pci_probe,
.remove = my_pci_remove,
};
static struct pci_device_id my_pci_ids[] = {
{ PCI_DEVICE(0x10ec, 0x8168) },
{ 0, }
};
其中
#define PCI_DEVICE(vend,dev) \
.vendor = (vend), .device = (dev), \
.subvendor = PCI_ANY_ID, .subdevice = PCI_ANY_ID
PCI_ANY_ID： 可以与任何PCI设备ID匹配。
pci_match_id()函数：
判断指定设备ID是否包含在id_table表中。
6.7.3 USB
USB：即通用串行总线。一种外部总线。
1. 特性和运作模式
USB拓扑如下：
USB驱动设计的核心：
热插拔。
驱动透明安装。
设备不直接连接到宿主机控制器，而是连接到集线器。
USB设备分3个层次：
1. 设备：
连接到USB总线的设备。
一个设备可包含几种功能部件，分别由不同驱动控制。
2. 配置：
每个设备由一或多个配置组成。
3. 接口：
每个配置由一或多个接口组成
4. 端点end point:
每个接口由一或多个端点组成。
drivers/usb/下目录将驱动程序分为：
image：图形/视频设备，如照相机，扫描仪。
input：输入输出设备。如键盘，鼠标，触摸屏。
media：多媒体设备。
net：网卡。
storage：存储设备。如硬盘。
core：适配器。
USB有4种传输模式：
1. 控制传输：
作用：传输控制信息，配置设备。
占用带宽少。
如标准命令：GET_STATUS，SET_INTERFACE。
2. 块传输bulk transfer：
作用：传输数据。
占用全部带宽。
如存储设备。
3. 中断传输：
即周期重复的块传输。
如网卡。
4. 同步传输：
使用预定义带宽，可容忍偶尔数据丢失
如网络摄像头。
2. 驱动程序管理
USB总线系统包括：
1. 宿主机适配器的驱动：自身被连接到另一系统总线。
适配器类型有OHCI，EHCI，UHCI。
2. 驱动与USB设备通信。
USB有子系统4个任务：
1. 注册和管理driver
2. 为USB设备查找driver，及初始化与配置。
3. 在内存中表示USB设备树。
4. 设备通信。
struct usb_driver {
const char *name; //驱动名称。
int (*probe) (struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id);
//宿主机检测到新设备（id_table中定义的）时调用。
void (*disconnect) (struct usb_interface *intf);
int (*unlocked_ioctl) (struct usb_interface *intf, unsigned int code,void *buf);
int (*suspend) (struct usb_interface *intf, pm_message_t message);
int (*resume) (struct usb_interface *intf);
int (*reset_resume)(struct usb_interface *intf);
struct usb_device_id *id_table;
struct usbdrv_wrap drvwrap;
};
struct usbdrv_wrap {
struct device_driver driver; //通用驱动模型。
int for_devices;
//若为0，则为接口驱动。 若为1，则为设备驱动。
};
probe函数和id_tables：用法和PCI一样。
struct usb_device_id {
__u16 match_flags; //检测设备时，指定检查哪些ID。
__u16 idVendor;
__u16 idProduct;
__u16 bcdDevice_lo;
__u16 bcdDevice_hi;
__u8 bDeviceClass;
__u8 bDeviceSubClass;
__u8 bDeviceProtocol;
__u8 bInterfaceClass;
__u8 bInterfaceSubClass;
__u8 bInterfaceProtocol;
__u8 bInterfaceNumber;
}
int usb_register(struct usb_driver *driver)
插入设备时，检测到和id_tables中匹配后，调用usb_driver的probe函数，以初始化。
拔出设备时，调用usb_driver的 disconnect函数，来清除资源并卸载设备。
3. 设备树的表示
struct usb_device {
int devnum; //USB树中全局编号
char devpath[16]; //从USB树根节点到设备的经过的集线器端口号。
u32 route;
enum usb_device_state state;
//已连接/已配置。
enum usb_device_speed speed;
//值为：
USB_SPEED_LOW
USB_SPEED_HIGH
USB_SPEED_SUPER
struct usb_device *parent;
//指向连接的集线器（USB hub）
struct usb_bus *bus;
struct usb_host_endpoint ep0;
struct device dev;
struct usb_device_descriptor descriptor;
//厂商ID 产品ID 设备class。
struct usb_host_config *config; //设备可能的配置。
struct usb_host_config *actconfig; //设备当前的配置。
char *product; //产品名称。
char *manufacturer; //生产商。
char *serial; //序列号。
int maxchild; //如果是集线器，集线器的端口数目。
};
系统可有多个USB树，一颗树就是一根USB总线，而usb_bus_list可连接所有USB总线。
struct usb_bus {
struct device *controller; //代表总线的硬件
struct device *sysdev;
int busnum; //总线编号，按顺序分配
const char *bus_name;
struct list_head bus_list; //用于连接到系统所有总线
struct usb_devmap devmap; //位图，可跟踪已分配的usb编号
struct usb_device *root_hub; //总线设备树根节点，即根集线器。
int bandwidth_allocated;
};
URB：即USB Request Block，底层通过URB和设备交换数据。
