手把手教你学PCIE（12.2）--开发一个简单的 PCIe 设备驱动程序

目录

PCIe 实战实例：开发一个简单的 PCIe 设备驱动程序

目标

环境准备

步骤一：理解 PCIe 基本概念

步骤二：设置开发环境

步骤三：开发 PCIe 设备驱动程序

步骤四：测试和调试驱动程序

步骤五：深入学习和实践

结语

PCIe 实战实例来展示如何开发一个简单的 PCIe 设备驱动程序，该驱动程序将设备注册到内核，并实现基本的读写功能。我们将使用 Linux 内核提供的 PCIe API 来完成这个任务。

PCIe 实战实例：开发一个简单的 PCIe 设备驱动程序

目标

• 理解 PCIe 设备的基本结构和配置空间。
• 学习如何编写 PCIe 设备驱动程序。
• 实现设备的读写功能。
• 测试和调试驱动程序。

环境准备

• 硬件：一块支持 PCIe 的开发板或者虚拟机。
• 软件：Linux 操作系统（推荐 Ubuntu），因为 Linux 内核提供了丰富的 PCIe 支持。
• 开发工具：GCC 编译器、Make 工具、文本编辑器（如 Vim 或者 VSCode）。

步骤一：理解 PCIe 基本概念

1. 物理层：PCIe 使用差分信号对传输数据，支持多种链路宽度（如 x1, x4, x8, x16）。
2. 数据链路层：负责确保数据包的正确传输，包括错误检测和重传机制。
3. 事务层：处理请求和响应消息，定义了读写操作的协议。
4. 配置空间：每个 PCIe 设备都有一个唯一的配置空间，用于存储设备信息和控制寄存器。

步骤二：设置开发环境

1. 安装操作系统：在开发板或虚拟机上安装 Ubuntu。
2. 安装开发工具：打开终端并运行以下命令来安装必要的开发工具。
   bash

   深色版本

   sudo apt-get update
   sudo apt-get install build-essential

步骤三：开发 PCIe 设备驱动程序

我们将开发一个简单的 PCIe 设备驱动程序，该驱动程序将设备注册到内核，并提供基本的读写功能。

1. 创建项目文件夹：

   bash

   深色版本

   mkdir pcie_driver_example
   cd pcie_driver_example

2. 编写驱动程序代码： 创建一个名为 pcie_driver.c 的文件，并编写以下代码：

   c

   深色版本

   #include <linux/init.h>
   #include <linux/module.h>
   #include <linux/pci.h>
   #include <linux/io.h>  // 用于内存映射
   #include <linux/fs.h>  // 用于文件操作
   #include <linux/cdev.h>  // 用于字符设备
   #include <linux/uaccess.h>  // 用于用户空间访问
   
   MODULE_LICENSE("GPL");
   MODULE_AUTHOR("Your Name");
   MODULE_DESCRIPTION("A simple PCIe driver with read/write support");
   
   #define DEVICE_NAME "pcie_example"
   #define CLASS_NAME "pcie_class"
   
   static dev_t dev;
   static struct cdev c_dev;
   static struct class *cl;
   static struct pci_dev *pdev;
   static void __iomem *bar0;
   
   static struct pci_device_id pcie_dev_ids[] = {
       { PCI_DEVICE(0x1234, 0x5678) },  // 替换为你设备的Vendor ID和Device ID
       { 0, }  // 表示列表结束
   };
   
   static int pcie_driver_open(struct inode *inode, struct file *file)
   {
       return 0;
   }
   
   static int pcie_driver_close(struct inode *inode, struct file *file)
   {
       return 0;
   }
   
   static ssize_t pcie_driver_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
   {
       unsigned int value = ioread32(bar0);
       if (copy_to_user(buf, &value, sizeof(unsigned int)))
           return -EFAULT;
       return sizeof(unsigned int);
   }
   
   static ssize_t pcie_driver_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
   {
       unsigned int value;
       if (count != sizeof(unsigned int))
           return -EINVAL;
       if (copy_from_user(&value, buf, sizeof(unsigned int)))
           return -EFAULT;
       iowrite32(value, bar0);
       return sizeof(unsigned int);
   }
   
   static struct file_operations fops = {
       .owner = THIS_MODULE,
       .open = pcie_driver_open,
       .release = pcie_driver_close,
       .read = pcie_driver_read,
       .write = pcie_driver_write
   };
   
   static int pcie_driver_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *id)
   {
       int ret;
       unsigned long bar0_start, bar0_len;
   
       // 请求PCI资源
       ret = pci_enable_device(pdev);
       if (ret) {
           dev_err(&pdev->dev, "Failed to enable PCI device\n");
           return ret;
       }
   
       // 获取BAR0地址和长度
       bar0_start = pci_resource_start(pdev, 0);
       bar0_len = pci_resource_len(pdev, 0);
   
       // 映射BAR0到内存
       bar0 = ioremap(bar0_start, bar0_len);
       if (!bar0) {
           dev_err(&pdev->dev, "Failed to map BAR0\n");
           pci_disable_device(pdev);
           return -ENOMEM;
       }
   
       // 注册字符设备
       alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, DEVICE_NAME);
       cdev_init(&c_dev, &fops);
       cdev_add(&c_dev, dev, 1);
   
       cl = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME);
       if (IS_ERR(cl)) {
           unregister_chrdev_region(dev, 1);
           iounmap(bar0);
           pci_disable_device(pdev);
           return PTR_ERR(cl);
       }
   
       device_create(cl, NULL, dev, NULL, DEVICE_NAME);
   
       printk(KERN_INFO "PCIe Driver: Device Found and Mapped!\n");
       return 0;
   }
   
   static void pcie_driver_remove(struct pci_dev *pdev)
   {
       device_destroy(cl, dev);
       class_destroy(cl);
       cdev_del(&c_dev);
       unregister_chrdev_region(dev, 1);
       iounmap(bar0);
       pci_disable_device(pdev);
       printk(KERN_INFO "PCIe Driver: Device Removed!\n");
   }
   
   static struct pci_driver pcie_driver = {
       .name = "pcie_example_driver",
       .id_table = pcie_dev_ids,
       .probe = pcie_driver_probe,
       .remove = pcie_driver_remove,
   };
   
   static int __init pcie_driver_init(void)
   {
       return pci_register_driver(&pcie_driver);
   }
   
   static void __exit pcie_driver_exit(void)
   {
       pci_unregister_driver(&pcie_driver);
   }
   
   module_init(pcie_driver_init);
   module_exit(pcie_driver_exit);

3. 编写 Makefile： 在同一目录下创建一个名为 Makefile 的文件，内容如下：

   makefile

   深色版本

   obj-m += pcie_driver.o
   
   all:
       make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules
   
   clean:
       make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

4. 编译驱动程序： 在终端中运行以下命令来编译驱动程序：

   bash

   深色版本

   make

步骤四：测试和调试驱动程序

1. 加载驱动程序：
   bash

   深色版本

   sudo insmod pcie_driver.ko

2. 查看内核日志：
   bash

   深色版本

   dmesg | tail

   查看输出确认驱动程序是否成功加载并且找到了设备。
3. 创建设备节点： 如果设备节点没有自动创建，可以手动创建：
   bash

   深色版本

   sudo mknod /dev/pcie_example c 240 0
   sudo chmod 666 /dev/pcie_example

4. 测试读写功能：
   • 读取设备寄存器：
     bash

     深色版本

     cat /dev/pcie_example

   • 写入设备寄存器：
     bash

     深色版本

     echo 12345678 > /dev/pcie_example

5. 卸载驱动程序：
   bash

   深色版本

   sudo rmmod pcie_driver

步骤五：深入学习和实践

• 学习 PCIe 配置空间：了解如何通过配置空间访问设备属性。
• 实现 DMA 功能：学习如何使用 Direct Memory Access (DMA) 技术提高数据传输效率。
• 多设备支持：扩展驱动程序以支持多个相同类型的 PCIe 设备。
• 性能优化：研究如何优化驱动程序以减少延迟和提高吞吐量。

结语

通过以上步骤，你应该能够建立一个具有读写功能的 PCIe 设备驱动程序，并具备进一步探索 PCIe 技术的基础。PCIe 是一个复杂的领域，涉及到许多底层硬件知识和技术细节，因此持续的学习和实践是非常重要的。