一、PCIe驅(qū)動架構(gòu)層次

Linux PCIe驅(qū)動分為四個核心層次：

1. PCI/PCIe核心層（PCI Core）

   • 位于drivers/pci目錄，負責總線枚舉、資源配置、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和通用驅(qū)動框架。

   • 關(guān)鍵功能：掃描PCIe拓撲結(jié)構(gòu)、分配內(nèi)存和中斷資源、管理設(shè)備配置空間（如BAR、Capability結(jié)構(gòu)）。

   • 核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：struct pci_dev（表示一個PCI設(shè)備）、struct pci_bus（表示一條PCI總線）。

2. 主機控制器驅(qū)動（Host Controller Driver）

   • 位于drivers/pci/controller或drivers/pci/host目錄，負責與硬件SoC/芯片組的PCIe Root Complex交互。

   • 示例驅(qū)動：Intel的pcie-intel、ARM的pcie-rcar、國產(chǎn)芯片的定制控制器驅(qū)動。

   • 功能：初始化Root Complex、處理總線掃描觸發(fā)（如通過ACPI或設(shè)備樹）。

3. PCIe設(shè)備驅(qū)動（Device Driver）

   • 用戶編寫的具體設(shè)備驅(qū)動（如網(wǎng)卡、GPU、量子密碼卡驅(qū)動）。

   • 通過struct pci_driver注冊驅(qū)動，實現(xiàn)probe()、remove()等回調(diào)。

   • 關(guān)鍵操作：映射BAR空間、配置DMA、注冊中斷處理函數(shù)。

4. 用戶空間接口

   • 提供/sys/bus/pci下的sysfs節(jié)點，或通過字符設(shè)備（如/dev/mycrypto）暴露功能。

   • 工具鏈：lspci、setpci等命令直接訪問配置空間。

二、總線枚舉與設(shè)備發(fā)現(xiàn)

1. 枚舉流程

   • 硬件初始化：BIOS/UEFI或Bootloader配置PCIe鏈路，內(nèi)核啟動后重新掃描。

   • 拓撲構(gòu)建：從Root Complex開始，遞歸掃描下游設(shè)備（Switch和Endpoint）。

   • 資源配置：為每個設(shè)備分配內(nèi)存地址（通過BAR）、中斷號（MSI/MSI-X或INTx）。

2. 配置空間訪問

   • 通過pci_read_config_byte()、pci_write_config_dword()等API讀寫設(shè)備的配置空間。

   • 關(guān)鍵字段：Vendor ID、Device ID、Class Code、BAR0-5、Capability列表（如PCIe Capability）。

三、驅(qū)動模型與設(shè)備匹配

1. 驅(qū)動注冊

   • 設(shè)備驅(qū)動通過pci_register_driver()注冊，示例代碼：

     static struct pci_driver my_driver = {
         .name = "my_pcie_device",
         .id_table = my_pci_ids,  // 設(shè)備ID列表
         .probe = my_probe,
         .remove = my_remove,
     };
     pci_register_driver(&my_driver);

2. 設(shè)備匹配

   • 基于id_table中的設(shè)備ID（Vendor ID + Device ID）或Class Code匹配設(shè)備。

   • 匹配成功后，內(nèi)核調(diào)用probe()函數(shù)初始化設(shè)備。

四、關(guān)鍵驅(qū)動開發(fā)步驟

1. 資源映射

   • 啟用設(shè)備：pci_enable_device()。

   • 申請BAR資源：pci_request_regions()。

   • 映射BAR到內(nèi)核地址空間：pci_iomap()。

2. 中斷處理

   • 申請中斷號：pci_alloc_irq_vectors()（支持MSI/MSI-X）。

   • 注冊中斷處理函數(shù)：request_irq()。

3. DMA配置

   • 設(shè)置DMA掩碼：dma_set_mask_and_coherent()。

   • 分配DMA緩沖區(qū)：dma_alloc_coherent()或使用流式DMA API。

五、代碼結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵API

1. 核心代碼路徑

   • 總線管理：drivers/pci/probe.c、access.c。

   • 主機控制器驅(qū)動：drivers/pci/controller/。

   • 設(shè)備驅(qū)動示例：drivers/net/ethernet/（如Intel網(wǎng)卡驅(qū)動）。

2. 常用API

   • 設(shè)備操作：pci_read_config_*()、pci_write_config_*()。

   • 資源管理：pci_resource_start()、pci_resource_len()。

   • 電源管理：pci_set_power_state()。

六、高級功能

1. SR-IOV虛擬化支持

   • 通過sysfs或驅(qū)動代碼創(chuàng)建Virtual Function（VF）。

   • 示例：GPU或網(wǎng)卡的硬件虛擬化。

2. 熱插拔（Hotplug）

   • 支持PCIe設(shè)備的熱插拔，需實現(xiàn)struct hotplug_slot_ops。

3. ACPI/設(shè)備樹集成

   • ACPI：解析_DSM方法配置設(shè)備。

   • 設(shè)備樹：在ARM架構(gòu)中通過pcie-controller節(jié)點描述拓撲。

七、調(diào)試與工具

1. 調(diào)試手段

   • dmesg查看內(nèi)核日志，定位probe()失敗或資源沖突。

   • 通過/sys/kernel/debug/pci/查看設(shè)備詳細信息。

2. 用戶工具

   • lspci -vv：顯示設(shè)備配置空間和Capability。

   • pcimem：直接讀寫設(shè)備內(nèi)存空間。

八、典型驅(qū)動示例（偽代碼）

static int my_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *id) {
    // 啟用設(shè)備
    pci_enable_device(pdev);
    // 申請BAR資源
    pci_request_regions(pdev, "my_driver");
    // 映射BAR0到內(nèi)核虛擬地址
    void __iomem *regs = pci_iomap(pdev, 0, pci_resource_len(pdev, 0));
    // 配置DMA
    dma_set_mask(&pdev->dev, DMA_BIT_MASK(64));
    // 注冊中斷
    int irq = pci_alloc_irq_vectors(pdev, 1, 1, PCI_IRQ_MSI);
    request_irq(irq, my_isr, 0, "my_irq", dev);
    // 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點
    misc_register(&my_miscdev);
    return 0;
}

static void my_remove(struct pci_dev *pdev) {
    // 釋放資源
    pci_release_regions(pdev);
    pci_disable_device(pdev);
}

九、架構(gòu)總結(jié)

Linux PCIe驅(qū)動架構(gòu)通過分層設(shè)計實現(xiàn)了硬件抽象與跨平臺兼容性：

• 核心層統(tǒng)一管理總線與設(shè)備發(fā)現(xiàn)。

• 主機控制器驅(qū)動適配不同硬件平臺。

• 設(shè)備驅(qū)動專注于功能實現(xiàn)，通過標準API與內(nèi)核交互。

開發(fā)PCIe設(shè)備驅(qū)動時，需重點關(guān)注資源管理、中斷處理、DMA配置及用戶空間接口設(shè)計。