背 景

• Read the fucking source code! --By 魯迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說(shuō)明：

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

1. 概述

• 本文將分析Linux PCI子系統(tǒng)的框架，主要圍繞Linux PCI子系統(tǒng)的初始化以及枚舉過(guò)程分析；
• 如果對(duì)具體的硬件缺乏了解，建議先閱讀上篇文章《Linux PCI驅(qū)動(dòng)框架分析（一）》；

話不多說(shuō)，直接開始。

2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• PCI體系結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系如圖所示，而圖中的不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是用于來(lái)描述對(duì)應(yīng)的模塊；
• Host Bridge連接CPU和PCI系統(tǒng)，由struct pci_host_bridge描述；
• struct pci_dev描述PCI設(shè)備，以及PCI-to-PCI橋設(shè)備；
• struct pci_bus用于描述PCI總線，struct pci_slot用于描述總線上的物理插槽；

來(lái)一張更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)體組織圖：

• 總體來(lái)看，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)硬件模塊進(jìn)行了抽象，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間也能很便捷的構(gòu)建一個(gè)類似PCI子系統(tǒng)物理拓?fù)涞年P(guān)系圖；
• 頂層的結(jié)構(gòu)為pci_host_bridge，這個(gè)結(jié)構(gòu)一般由Host驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)來(lái)初始化創(chuàng)建；
• pci_host_bridge指向root bus，也就是編號(hào)為0的總線，在該總線下，可以掛接各種外設(shè)或物理slot，也可以通過(guò)PCI橋去擴(kuò)展總線；

3. 流程分析

3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型

Linux PCI驅(qū)動(dòng)框架，基于Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型，因此有必要先簡(jiǎn)要介紹一下，實(shí)際上Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型也是一個(gè)大的topic，先挖個(gè)坑，有空再來(lái)填。來(lái)張圖吧：

• 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Linux內(nèi)核建立了一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)備模型，分別采用總線、設(shè)備、驅(qū)動(dòng)三者進(jìn)行抽象，其中設(shè)備與驅(qū)動(dòng)都掛在總線上，當(dāng)有新的設(shè)備注冊(cè)或者新的驅(qū)動(dòng)注冊(cè)時(shí)，總線會(huì)去進(jìn)行匹配操作（match函數(shù)），當(dāng)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與設(shè)備能進(jìn)行匹配時(shí)，就會(huì)執(zhí)行probe函數(shù)的操作；
• 從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中可以看出，bus_type會(huì)維護(hù)兩個(gè)鏈表，分別用于掛接向其注冊(cè)的設(shè)備和驅(qū)動(dòng)，而match函數(shù)就負(fù)責(zé)匹配檢測(cè)；
• 各類驅(qū)動(dòng)框架也都是基于圖中的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這之上進(jìn)行封裝，比如I2C總線框架等；
• 設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型中，包含了很多kset/kobject等內(nèi)容，建議去看看之前的文章《linux設(shè)備模型之kset/kobj/ktype分析》
• 好了，點(diǎn)到為止，感覺(jué)要跑題了，強(qiáng)行拉回來(lái)。

3.2 初始化

既然說(shuō)到了設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型，那么首先我們要做的事情，就是先在內(nèi)核里邊創(chuàng)建一個(gè)PCI總線，用于掛接PCI設(shè)備和PCI驅(qū)動(dòng)，我們的實(shí)現(xiàn)來(lái)到了pci_driver_init()函數(shù)：

• 內(nèi)核在PCI框架初始化時(shí)會(huì)調(diào)用pci_driver_init()來(lái)創(chuàng)建一個(gè)PCI總線結(jié)構(gòu)（全局變量pci_bus_type），這里描述的PCI總線結(jié)構(gòu)，是指驅(qū)動(dòng)匹配模型中的概念，PCI的設(shè)備和驅(qū)動(dòng)都會(huì)掛在該P(yáng)CI總線上；
• 從pci_bus_type的函數(shù)操作接口也能看出來(lái)，pci_bus_match用來(lái)檢查設(shè)備與驅(qū)動(dòng)是否匹配，一旦匹配了就會(huì)調(diào)用pci_device_probe函數(shù)，下邊針對(duì)這兩個(gè)函數(shù)稍加介紹；

3.2.1 pci_bus_match

• 設(shè)備或者驅(qū)動(dòng)注冊(cè)后，觸發(fā)pci_bus_match函數(shù)的調(diào)用，實(shí)際會(huì)去比對(duì)vendor和device等信息，這個(gè)都是廠家固化的，在驅(qū)動(dòng)中設(shè)置成PCI_ANY_ID就能支持所有設(shè)備；
• 一旦匹配成功后，就會(huì)去觸發(fā)pci_device_probe的執(zhí)行；

3.2.2 pci_device_probe

• 實(shí)際的過(guò)程也是比較簡(jiǎn)單，無(wú)非就是進(jìn)行匹配，一旦匹配上了，直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的probe函數(shù)，寫過(guò)驅(qū)動(dòng)的同學(xué)應(yīng)該就比較清楚后邊的流程了；

3.3 枚舉

• 我們還是順著設(shè)備驅(qū)動(dòng)匹配的思路繼續(xù)開展；
• 3.2節(jié)描述的是總線的創(chuàng)建，那么本節(jié)中的枚舉，顯然就是設(shè)備的創(chuàng)建了；
• 所謂設(shè)備的創(chuàng)建，就是在Linux內(nèi)核中維護(hù)一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行描述，而硬件的描述又跟上文中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能對(duì)應(yīng)上；

枚舉的入口函數(shù)：pci_host_probe

• 設(shè)備的掃描從pci_scan_root_bus_bridge開始，首先需要先向系統(tǒng)注冊(cè)一個(gè)host bridge，在注冊(cè)的過(guò)程中需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)root bus，也就是bus 0，在pci_register_host_bridge函數(shù)中，主要是一系列的初始化和注冊(cè)工作，此外還為總線分配資源，包括地址空間等；
• pci_scan_child_bus開始，從bus 0向下掃描并添加設(shè)備，這個(gè)過(guò)程由pci_scan_child_bus_extend來(lái)完成；
• 從pci_scan_child_bus_extend的流程可以看出，主要有兩大塊：
  1. PCI設(shè)備掃描，從循環(huán)也能看出來(lái)，每條總線支持32個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備支持8個(gè)功能，掃描完設(shè)備后將設(shè)備注冊(cè)進(jìn)系統(tǒng)，pci_scan_device的過(guò)程中會(huì)去讀取PCI設(shè)備的配置空間，獲取到BAR的相關(guān)信息，細(xì)節(jié)不表了；
  2. PCI橋設(shè)備掃描，PCI橋是用于連接上一級(jí)PCI總線和下一級(jí)PCI總線的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有下一級(jí)總線時(shí)，創(chuàng)建子結(jié)構(gòu)，并再次調(diào)用pci_scan_child_bus_extend的函數(shù)來(lái)掃描下一級(jí)的總線，從這個(gè)過(guò)程看，就是一個(gè)遞歸過(guò)程。
• 從設(shè)備的掃描過(guò)程看，這是一個(gè)典型的DFS（Depth First Search）過(guò)程，熟悉數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的同學(xué)應(yīng)該清楚，這就類似典型的走迷宮的過(guò)程；

如果你對(duì)上述的流程還不清楚，再來(lái)一張圖：

• 圖中的數(shù)字代表的就是掃描的過(guò)程，當(dāng)遍歷到PCI橋設(shè)備的時(shí)候，會(huì)一直窮究到底，然后再返回來(lái)；
• 當(dāng)枚舉過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)中就已經(jīng)維護(hù)了PCI設(shè)備的各類信息了，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)匹配模型中，總線和設(shè)備都已經(jīng)具備了，剩下的就是寫個(gè)驅(qū)動(dòng)了；

暫且寫這么多，細(xì)節(jié)方面不再贅述了，把握大體的框架即可，無(wú)法扼住PCI的咽喉，那就扼住它的骨架吧。