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献给ARM初学者

(LDD) Ch15-外围总线概览(转载)
       
       
      第十五章  外围总线概览
       
       
       
      在第八章“硬件管理”中，我们介绍了最低级的硬件控制，本章提供一个较高级的总线
      体系结构的概览。总线由电气接口和编程接口组成。在这一章，我打算介绍编程接口。
       
      本章覆盖了几种总线体系结构。不过，基本重点是访问PCI外围的核心功能，因为近来，
      PCI总线是最常用的外围总线，也是核心支持最好的总线。
       
       
       
      PCI接口

      PCI接口
       
       
       
      尽管很多计算机用户认为PCI（外围部件互连，Peripheral Component Interconnect）
      是布局电气线路的一种方法，但实际上，它是一组完全的规范，定义了计算机的不同部
      分是如何交互的。
       
      PCI规范覆盖了与计算机接口相关的绝大多数方面。我不打算在这里全部介绍，在本节中
      ，我主要关心一个PCI驱动程序是如何找到它的硬件，并获得对它的访问的。在第二章“
      构造和运行模块”的“自动和手工配置”一节，及在第九章“中断处理”的“自动检测
      中断号”一节中讨论过的探测技术同样可以应用于PCI设备，但规范还提供了探测的另外
      办法。
       
      PCI结构被设计来替代ISA标准，由三个主要目标：在计算机和其外围之间传送数据时有
      更高的性能，尽可能地做到平台无关性，使在系统中增减外围设备得到简化。
       
      PCI通过使用比ISA高的时钟频率来获得更高的性能；它的时钟运行在25或33MHZ（实际时
      钟是系统时钟的几分之一的整数倍），而且马上就会游66MHZ的扩展。另外，它被装配在
      32位的数据总线上，64位的扩展正在规范中。平台无关性一直是计算机总线的一个设计
      目标，这是PCI的尤其重要的一个特征，因为PC世界一直以来总是被处理器特定的标准所
      主宰。
       

       
      不过对驱动程序作者来说，最要紧的是对接口板自动检测的支持。PCI设备是无跳线的（
      与大多数ISA外围不同），并且在引导时被自动配置。因此，设备驱动程序必须能访问设
      备上的配置信息来完成初始化。这些情形都不需要任何探测。
       
       
       
      PCI寻址
       
      每个外围由一个总线号、一个设备号、和一个功能号确定。虽然PCI规范允许一个系统最
      多拥有256条总线，但PC只有一条。每条总线最多带32个设备，但每个设备可以是最多个
      功能的多功能板（如一个音频设备带一个CD-ROM驱动器）。每个功能可以由一个16位的
      键或两个8位的键确定。Linux核心采用后一种方法。
       
      每个外围板子的硬件电路回答与三个地址空间相关的询问：内存位置，I/O端口，和配置
      寄存器。前两个地址空间由PCI总线上的所有设备共享（也就是说，当你访问一个内存位
      置，所有的设备都将同时看到这个总线周期）。而配置空间则利用“地理寻址”，每个
      槽有一个配置事务的私用使能线，PCI控制器一次访问一个板子，不会有地址冲突。考虑
      到驱动程序，内存和I/O是以通常的inb,memcpy等来访问。而配置事务则通过调用特定的
      核心函数访问配置寄存器来完成。至于中断，每个PCI设备有4个中断管脚，它们到处理
      器中断线的路由是主板的任务；PCI中断可以设计为共享的，这样即使是一个有限中断线
      的处理器也能带很多PCI接口板。
       

       
      PCI总线的I/O空间使用32位的地址总线（这样就是4GB的I/O端口），而内存空间则可以
      用32位或64位地址访问。地址对每个设备来说应该是唯一的，但也有可能有两个设备错
      误地映射到同一个地址，使得哪个都不能被访问。一个好消息是接口卡提供的每个内存
      和I/O地址区段都可以通过配置事务重映射。这就是设备可以在引导时被初始化从而避免
      地址冲突的机制这些区段当前映射到的地址可以从配置空间读出，因此Linux驱动程序可
      以不通过探测就访问其设备。一旦配置寄存器被读出，驱动程序就可以安全的访问它的
      硬件。
       
      PCI配置空间由每个设备函数256个字节构成，配置寄存器的布局是标准化的。配置空间
      有四个字节含有一个唯一的函数ID，因此驱动程序可以通过在外围查找特定的ID来B确定
      它的设备*。总之，每个设备板子被地理寻址以取得它的配置寄存器；这个信息可以用来
      确定这个板子或采取进一步动作。
       
      从前面的描述，应该清楚PCI接口标准比ISA的主要创新是配置地址空间。因此，除了通
      常的驱动程序代码外，PCI驱动程序还需要访问配置空间的能力。
       
      在本章的其余部分，我将使用单词“设备”来指一个设备功能，因为多功能板上的每个
      功能均是一个独立的实体。当我提到一个设备，我是指元组“总线号，设备号，功能号
      ”。如前所述，每个元组在Linux中由两个8位数字表示。
       
       
       

       
      引导时
       
      让我们看一下PCI是如何工作的，从系统引导开始，因为那时设备被配置。
       
      当PCI设备被加电时，硬件关闭。或者说，设备只对配置事务响应。加电时，设备没有映
      射到计算机地址空间的内存和I/O端口；所有其它的设备特定的特征，象中断线，也都被
      关闭。
       
      幸运的是，每个PCI母板都装有懂得PCI 的固件，根据平台的不同被称做BIOS、NVRAM、
      或PROM。固件提供对设备配置地址空间的访问，即使处理器的指令集不提供这样的能力
      。
       
      在系统引导时，固件对每个PCI外围执行配置事务，从而为它提供的任何地址区段分配一
      个安全的地方。到设备驱动程序访问设备时，它的内存和I/O区段已经被映射到处理器的
      地址空间。驱动程序可以改变这个缺省的分配，但它通常并不这样做，除非有一些设备
      相关的原因要求这样。
       
      在Linux中，用户可以通过读/proc/pci来查看PCI 设备，这是个文本文件，系统中每个P
      CI板子有一项。下面是/proc/pci中一项的例子：
       
      （代码344）
       

       
      /proc/pci中每一项是一个设备的设备无关特征的概述，如它的配置寄存器所描述的。例
      如，上面这一项告诉我们这个设备有板上内存，已被映射到地址0xf1000000。一些古怪
      的细节的含义以后在我介绍过配置寄存器后将会清楚。
       
       
       
      检测设备
       
      如前面提到的，配置空间的布局是设备无关的。在这一节，我们将看看用来确定外围的
      配置寄存器。
       
      PCI设备有一个256字节的地址空间。前64个字节是标准化的，而其余的则是设备相关的
      。图15-1显示了设备无关配置空间的布局。
       
      如图所示，有些PCI的配置寄存器是要求的，而有些则是可选的。每个PCI设备必须在必
      要寄存器中包含有意义的值，而可选寄存器的内容则以来与实际外围的能力。可选域并
      不使用，除非必要域的内容表明它们是有效的。这样，必要域断言了板子的能力，包括
      其它域可用与否。
       
      有意思的是注意到PCI寄存器总是小印地安字节顺序的。尽管标准要设计为体系结构无关
      的，PCI的设计者有时还是显示出对PC环境的偏见。驱动程序的作者应该留神字节顺序，
      特别是访问多字节的配置寄存器时；在PC上工作的代码可能在别的平台上就不行。Linux

      特别是访问多字节的配置寄存器时；在PC上工作的代码可能在别的平台上就不行。Linux
      的开发者已经注意了字节排序问题（见下一节“访问配置空间”），但这个问题还是要
      牢记在心。不幸的是，标准函数ntohs和ntohl都不能用，因为网络字节顺序与PCI顺序相
      反；在Linux2.0中没有标准函数将PCI字节顺序转换为主机字节顺序，每个用单个字节构
      成多字节值的驱动程序都应该特别小心地正确处理印地安字节序。核心版本2.1.10引入
      了几个函数来处理这些字节顺序问题，它们在第十七章“最近的发展”中“转换函数”
      一节介绍。
       
      （图15-1：标准化的PCI配置寄存器）
       
      描述所有的配置项超出了本书的范围。通常，与设备一起发布的技术文档会描述它支持
      的寄存器。我们感兴趣的是驱动程序如何找到它的设备，以及它如何访问设备的配置空
      间。
       
      三个PCI寄存器确定一个设备：销售商，设备ID，和类。每个PCI外围把它自己的值放入
      这些只读寄存器，驱动程序可以用它们来查找设备。让我们更仔细地看看这些寄存器：
       
      销售商
       
      这个16位的寄存器确定硬件的生产商。例如，每个Intel的设备都会标上同样的销售商号
      ，8086 hex（是个随即值？）。这样的号码有一个全球的注册，生产商必须申请一个唯
      一的号。
       

       
      设备ID
       
      这是另一个16位寄存器，由生产商选择；不需要有官方的注册。这个ID通常与销售商ID
      成对出现，形成一个硬件设备的唯一的32位标志符。我将用单词“签名”来指销售商/设
      备ID对。一个设备驱动程序经常以来于签名来确定它的设备；驱动程序的作者从硬件文
      档中知道要寻找什么值。
       
      类
       
      每个外围设备都属于一个类。类寄存器是个16位的值，它的高八位确定 “基类”（或组
      ）。例如，“以太网”和“令牌环”是属于“网络”组的两类，而“串行”和“并行”
      类属于“通信”组。有些驱动程序可以支持几种类似的设备，它们虽然有不同的签名，
      却属于同一类；这些驱动程序可以依赖于类寄存器来确定它们的外围，如以后所示。
       
       
       
      下面的头文件，宏，以及函数都将被PCI驱动程序用来寻找它的硬件设备：
       
      #include <linux/config.h>
       
      驱动程序需要知道是否PCI函数在核心是可用的。通过包含这个头文件，驱动程序获得了
      对CONFIG_宏的访问，包括CONFIG_PCI(将在下面介绍)。从1.3.73以来，这个头文件包含

      对CONFIG_宏的访问，包括CONFIG_PCI(将在下面介绍)。从1.3.73以来，这个头文件包含
      在<linux/fs.h>中；如果想向后兼容，你必须把它显式地包含。
       
      CONFIG_PCI
       
      如果核心包括对PCI BIOS调用的支持，那么这个宏被定义。并不是每个计算机都有PCI总
      线，所以核心的开发者应该把 PCI的支持做成编译时选项，从而在无PCI的计算机上运行
      Linux时节省内存。如果CONFIG_PCI没有定义，那么这个列表中其它的函数都不可用，驱
      动程序应使用预编译的条件语句将PCI支持全都排除在外，以避免加载时的“未定义符号
      ”错。
       
      #include <linux/bios32.h>
       
      这个头文件声明了本节介绍的所有的原型，因此一定要被包含。这个头文件还定义了函