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【原创】Linux PCI驱动框架分析(三)


背 景

  • Read the fucking source code! –By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. –By 高尔基

说明:

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

1. 概述

先回顾一下PCIe的架构图:

【原创】Linux PCI驱动框架分析(三)

  • 本文将讲PCIe Host的驱动,对应为Root Complex部分,相当于PCI的Host Bridge部分;
  • 本文会选择Xilinx的nwl-pcie来进行分析;
  • 驱动的编写整体偏简单,往现有的框架上套就可以了,因此不会花太多笔墨,点到为止;

2. 流程分析

  • 但凡涉及到驱动的分析,都离不开驱动模型的介绍,驱动模型的实现让具体的驱动开发变得更容易;
  • 所以,还是回顾一下上篇文章提到的驱动模型:Linux内核建立了一个统一的设备模型,分别采用总线、设备、驱动三者进行抽象,其中设备与驱动都挂在总线上,当有新的设备注册或者新的驱动注册时,总线会去进行匹配操作(match函数),当发现驱动与设备能进行匹配时,就会执行probe函数的操作;

【原创】Linux PCI驱动框架分析(三)

  • 《Linux PCI驱动框架分析(二)》中提到过PCI设备、PCI总线和PCI驱动的创建,PCI设备和PCI驱动挂接在PCI总线上,这个理解很直观。针对PCIe的控制器来说,同样遵循设备、总线、驱动的匹配模型,不过这里的总线是由虚拟总线platform总线来替代,相应的设备和驱动分别为platform_deviceplatform_driver

那么问题来了,platform_device是在什么时候创建的呢?那就不得不提到Device Tree设备树了。

2.1 Device Tree

  • 设备树用于描述硬件的信息,包含节点各类属性,在dts文件中定义,最终会被编译成dtb文件加载到内存中;
  • 内核会在启动过程中去解析dtb文件,解析成device_node描述的Device Tree
  • 根据device_node节点,创建platform_device结构,并最终注册进系统,这个也就是PCIe Host设备的创建过程;

我们看看PCIe Host的设备树内容:

pcie: pcie@fd0e0000 { 	compatible = "xlnx,nwl-pcie-2.11"; 	status = "disabled"; 	#address-cells = <3>; 	#size-cells = <2>; 	#interrupt-cells = <1>; 	msi-controller; 	device_type = "pci";      	interrupt-parent = <&gic>; 	interrupts = <0 118 4>, 		     <0 117 4>, 		     <0 116 4>, 		     <0 115 4>,	/* MSI_1 [63...32] */ 		     <0 114 4>;	/* MSI_0 [31...0] */ 	interrupt-names = "misc", "dummy", "intx", "msi1", "msi0"; 	msi-parent = <&pcie>;      	reg = <0x0 0xfd0e0000 0x0 0x1000>, 	      <0x0 0xfd480000 0x0 0x1000>, 	      <0x80 0x00000000 0x0 0x1000000>; 	reg-names = "breg", "pcireg", "cfg"; 	ranges = <0x02000000 0x00000000 0xe0000000 0x00000000 0xe0000000 0x00000000 0x10000000	/* non-prefetchable memory */ 		  0x43000000 0x00000006 0x00000000 0x00000006 0x00000000 0x00000002 0x00000000>;/* prefetchable memory */ 	bus-range = <0x00 0xff>;      	interrupt-map-mask = <0x0 0x0 0x0 0x7>; 	interrupt-map =     <0x0 0x0 0x0 0x1 &pcie_intc 0x1>, 			    <0x0 0x0 0x0 0x2 &pcie_intc 0x2>, 			    <0x0 0x0 0x0 0x3 &pcie_intc 0x3>, 			    <0x0 0x0 0x0 0x4 &pcie_intc 0x4>;      	pcie_intc: legacy-interrupt-controller { 		interrupt-controller; 		#address-cells = <0>; 		#interrupt-cells = <1>; 	}; }; 

关键字段描述如下:

  • compatible:用于匹配PCIe Host驱动;
  • msi-controller:表示是一个MSI(Message Signaled Interrupt)控制器节点,这里需要注意的是,有的SoC中断控制器使用的是GICv2版本,而GICv2并不支持MSI,所以会导致该功能的缺失;
  • device-type:必须是"pci"
  • interrupts:包含NWL PCIe控制器的中断号;
  • interrupts-namemsi1, msi0用于MSI中断,intx用于旧式中断,与interrupts中的中断号对应;
  • reg:包含用于访问PCIe控制器操作的寄存器物理地址和大小;
  • reg-name:分别表示Bridge registersPCIe Controller registersConfiguration space region,与reg中的值对应;
  • ranges:PCIe地址空间转换到CPU的地址空间中的范围;
  • bus-range:PCIe总线的起始范围;
  • interrupt-map-maskinterrupt-map:标准PCI属性,用于定义PCI接口到中断号的映射;
  • legacy-interrupt-controller:旧式的中断控制器;

2.2 probe流程

  • 系统会根据dtb文件创建对应的platform_device并进行注册;
  • 当驱动与设备通过compatible字段匹配上后,会调用probe函数,也就是nwl_pcie_probe

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看一下nwl_pcie_probe函数:

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  • 通常probe函数都是进行一些初始化操作和注册操作:
    1. 初始化包括:数据结构的初始化以及设备的初始化等,设备的初始化则需要获取硬件的信息(比如寄存器基地址,长度,中断号等),这些信息都从DTS而来;
    2. 注册操作主要是包含中断处理函数的注册,以及通常的设备文件注册等;

 

  • 针对PCI控制器的驱动,核心的流程是需要分配并初始化一个pci_host_bridge结构,最终通过这个bridge去枚举PCI总线上的所有设备;
  • devm_pci_alloc_host_bridge:分配并初始化一个基础的pci_hsot_bridge结构;
  • nwl_pcie_parse_dt:获取DTS中的寄存器信息及中断信息,并通过irq_set_chained_handler_and_data设置intx中断号对应的中断处理函数,该处理函数用于中断的级联;
  • nwl_pcie_bridge_init:硬件的Controller一堆设置,这部分需要去查阅Spec,了解硬件工作的细节。此外,通过devm_request_irq注册misc中断号对应的中断处理函数,该处理函数用于控制器自身状态的处理;
  • pci_parse_request_of_pci_ranges:用于解析PCI总线的总线范围和总线上的地址范围,也就是CPU能看到的地址区域;
  • nwl_pcie_init_irq_domainmwl_pcie_enable_msi与中断级联相关,下个小节介绍;
  • pci_scan_root_bus_bridge:对总线上的设备进行扫描枚举,这个流程在Linux PCI驱动框架分析(二)中分析过。brdige结构体中的pci_ops字段,用于指向PCI的读写操作函数集,当具体扫描到设备要读写配置空间时,调用的就是这个函数,由具体的Controller驱动实现;

2.3 中断处理

PCIe控制器,通过PCIe总线连接各种设备,因此它本身充当一个中断控制器,级联到上一层的中断控制器(比如GIC),如下图:

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  • PCIe总线支持两种中断的处理方式:
    1. Legacy Interrupt:总线提供INTA#, INTB#, INTC#, INTD#四根中断信号,PCI设备借助这四根信号使用电平触发方式提交中断请求;
    2. MSI(Message Signaled Interrupt) Interrupt:基于消息机制的中断,也就是往一个指定地址写入特定消息,从而触发一个中断;

针对两种处理方式,NWL PCIe驱动中,实现了两个irq_chip,也就是两种方式的中断控制器:

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  • irq_domain对应一个中断控制器(irq_chip),irq_domain负责将硬件中断号映射到虚拟中断号上;
  • 来一张旧图吧,具体文章可以去参考中断子系统相关文章;

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再来看一下nwl_pcie_enable_msi函数:

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  • 在该函数中主要完成的工作就是设置级联的中断处理函数,级联的中断处理函数中最终会去调用具体的设备的中断处理函数;

 

所以,稍微汇总一下,作为两种不同的中断处理方式,套路都是一样的,都是创建irq_chip中断控制器,为该中断控制器添加irq_domain,具体设备的中断响应流程如下:

  1. 设备连接在PCI总线上,触发中断时,通过PCIe控制器充当的中断控制器路由到上一级控制器,最终路由到CPU;
  2. CPU在处理PCIe控制器的中断时,调用它的中断处理函数,也就是上文中提到过的nwl_pcie_leg_handlernwl_pcie_msi_handler_high,和nwl_pcie_leg_handler_low
  3. 在级联的中断处理函数中,调用chained_irq_enter进入中断级联处理;
  4. 调用irq_find_mapping找到具体的PCIe设备的中断号;
  5. 调用generic_handle_irq触发具体的PCIe设备的中断处理函数执行;
  6. 调用chained_irq_exit退出中断级联的处理;

2.4 总结

  • PCIe控制器驱动,各家的IP实现不一样,驱动的差异可能会很大,单独分析一个驱动毕竟只是个例,应该去掌握背后的通用框架;
  • 各类驱动,大体都是硬件初始化配置,资源申请注册,核心是处理与硬件的交互(一般就是中断的处理),如果需要用户来交互的,则还需要注册设备文件,实现一堆file_operation操作函数集;
  • 好吧,我个人不太喜欢分析某个驱动,草草收场了;

下篇开始,继续回归到虚拟化,期待一下吧。

参考

Documentation/devicetree/bindings/pci/xlinx-nwl-pcie.txt

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