Ch15- Overview of Peripheral Buses

Overview of Peripheral Buses

• 低階硬體控制 (ch-8)• 高階匯流排架構 ( bus architecture )• 匯流排是由一組電子介面 (electrical interfac

e) 與一組程式介面 (programming interface)共同組成。

• 本章涵蓋多種匯流排架構，但重點在於 PCI ，以及用來存取 PCI 的核心函式。

Outline

• The PCI interface

• A Look back ： ISA

• Other PC Buses– PC/104 and PC/104+– SBus– NuBus– External Buses

• Backward Compatibility

The PCI Interface

• Peripheral Component Interconnect• PCI 不只是電子線路的佈線方式，更是一套完整的標準規格。除了規定電器特性之外，也規範了電腦內部不同元件之間的互動原則。

• PCI 三大目標：– 提升 CPU 與週邊之間的資料傳輸效能– 儘可能跨平台 (IA-32, Alpha, PowerPC, SPARC64 和 IA-

64)

– 簡化安裝移除週邊的程序 ( 具備自動偵測能力 )

PCI 定址法• 每個 PCI 裝置都有一個 16-bits 識別碼

– 匯流排 bus-8bits– 裝置 device-5bits– 機能 function-3bits

• 一個系統最多可以容納 256 個 PCI 匯流排，每組匯流排最多可接 32 個裝置，每個裝置最多可具備8 種機能。

• Linux 驅動程式不必直接處理硬體位址，而以 --pci_dev-- 來代表 PCI 裝置。 (ch13-struct pci_dev)

• 橋接器 (bridges) ：連接不同匯流排。• 整個 PCI 系統組織成一個樹狀結構 ..

典型 PCI 系統組織

PCI 定址法• 查看系統上有哪些 PCI 裝置時：

– lspci ( 在 pciutils 套件裡 )

– “BB:DD:F” 就是識別碼的三個欄位– cat /proc/bus/pci/devices | cut –f1,3 |sort

00:00.0 Host bridge00:01.0 PCI bridge00:05.0 Ethernet controller00:07.0 ISA bridge00:07.1 IDE interface00:07.2 USB Controller00:07.4 ISA bridge00:07.5 Multimedia audio controller00:07.6 Communication controller00:0a.0 CardBus bridge01:00.0 VGA compatible controller

PCI 定址法• 每片 PCI 卡的硬體電路，都要能夠回答它們的”記憶區、 I/O 埠、組態暫存器”分別在三種位址空間的範圍。

• 同 PCI 匯流排上的所有裝置，共用記憶體空間與 I/O 空間，這表示當某記憶位址被存取時，同匯流排上的全部裝置會同時看到相同的位址信號。

• 同 PCI 匯流排上的不同裝置，彼此的記憶區必須錯開，令一方面，組態暫存器的位址，則採用”槽位定址法 (geographical addressing)”

• PCI 規格要求介面卡上的每一塊記憶區與 I/O 區，都必須被映射到其他位址範圍。 ( PCI BIOS )

開機期• 當電源施加到 PCI 裝置時，裝置上的記憶體與 I/O埠都還沒映射到主機的位址空間，任何輔助機能( 中斷、 DMA) 與主要機能 ( 顯示、控制硬碟 ..) 都失效，在這種情況下裝置指對“組態交涉”有反應。

• 組態交涉：將裝置設定成可供主機存取的狀態，稱為 BIOS 、 NVRAM 或 PROM ，隨平台而定。韌體藉由讀、寫 PCI 控制器上的暫存器，而提供存取裝置組態空間的能力。

• cat /proc/bus/pci/devices 16 bits• cat /proc/pci 文字 • cat /proc/bus/pci/01/08.0 組態現況檔

組態暫存器與初始化

組態暫存器與初始化• 組態空間的格局，是任何 PCI 裝置都必須遵守的標準，與裝置類型無關。

• 給個 PCI 裝置都有一個 256-byte 的位址空間，前64-byte 的格式必須符合統一標準，其餘部份開放給廠商自己決定。

• 必要暫存器 &選項暫存器• PCI 暫存器的位元組順序固定是” little-endian” 。雖然 PCI 標準的設計目標之一是跨平台，但是還是可看到出 PCI 設計者比較偏向於 Intel-PC環境。

組態暫存器與初始化• vendorID ： 16-bits 暫存器，代表“硬體製造商”。

– (ex ： intel 其 vendorID 為 0x8086)

• deviceID ： 16-bits 暫存器，其內容值由製造廠商自己決定，不必經過正式的行政註冊。通常與 vendorID搭配成對，組成一個可代表特定硬體裝置的32-bits 識別碼 (signature) 。

• class ： 16-bits 暫存器，較高 8-bits 代表通類 (base class) ，或稱為組別 (group) 。– (ex ： Ethernet 與 Token Ring 是屬於網路組的兩種類別 )

• subsystem vendorID & subsystem deviceID ：對於功能類似的裝置…讓驅動程式進一步區別…

組態暫存器與初始化• #include <linux/config.h>• CONFIG_PCI• #include <linux/pci.h>• int pci_present(void);• struct pci_dev;• struct pci_dev *pci_find_device (unsigned int vendor,

unsigned int device, const struct pci_dev *from);• struct pci_dev *pci_find_class (unsigned int class, co

nst struct pci_dev *from);• int pci_enable_device(struct pci_dev *dev);• struct pci_dev *pci_find_slot (unsigned int bus, unsig

ned int devfn);

組態暫存器與初始化#ifndef CONFIG_PCI# error "This driver needs PCI support to be available"#endifint jail_find_all_devices(void){

struct pci_dev *dev = NULL;int found;if (!pci_present())return -ENODEV;for (found=0; found < JAIL_MAX_DEV;) {

dev = pci_find_device(JAIL_VENDOR, JAIL_ID, dev);if (!dev) /* no more devices are there */

break;/* do device-specific actions and count the device */found += jail_init_one(dev);

}return (index == 0) ? -ENODEV : 0;

}

組態暫存器與初始化• jail_init_one( ) 的角色隨裝置的性質而定，所處沒法列出確切的程式碼。但有些觀念需謹記在心…– 進行必要的而外特測程序，確保找到裝置確實在支援之列。

– 在存取任何資源之前，必須先呼叫 pci_enable_device( ) 。– 對於網路介面驅動程式，應該將 dev-driver_data 指向介面所屬的 struct net_device( )

存取組態空間• 順利偵測出裝置之後，驅動程式還需要能夠讀寫裝置的三種位址空間：記憶體、 I/O 埠、組態空間。

• Linux 核心對驅動程式提供了 8, 16, 32-bits 三種資料傳輸模式來存取組態空間。 <linux/pci.h>

讀取：int pci_read_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 *ptr);int pci_read_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 *ptr);int pci_read_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 *ptr);寫入：int pci_write_config_byte (struct pci_dev *dev, int where, u8 val);int pci_write_config_word (struct pci_dev *dev, int where, u16 val);int pci_write_config_dword (struct pci_dev *dev, int where, u32 val);

檢視組態空間現況• Linux 2.0後 直接利用現成的 /proc/bus/pci• Linux 2.0 前 需自己寫程式來檢視組態空間現況

存取 I/O 空間與記憶體空間• 每個 PCI 裝置最多可以配備 6 個位址區，他們可能是記憶區，也可能是 I/O 區。

• 區別記憶區到底是對應到裝置上的記憶體或 I/O暫存器，可藉由組態暫存器裡的“ memory-is-prefetchable” 位元來判斷。

Linux 2.4 的 PCI I/O 資源• Linux 2.4 ， PCI 裝置的 I/O 區域已經被整合進”通用資源管理”，因此若想知道裝置的記憶空間或 I/O 空間是映射到何處，可以利用下列函式來取得區域的對應關係：

• 只要利用這些函式，驅動程式其實可以完全不理會實際的 PCI 暫存器，因為系統已經幫你解讀…

unsigned long pci_resource_start(struct pci_dev *dev, int bar);unsigned long pci_resource_end(struct pci_dev *dev, int bar);unsigned long pci_resource_flags(struct pci_dev *dev, int bar);IORESOURCE_IOIORESOURCE_MEMIORESOURCE_PREFETCHIORESOURCE_READONLY

PCI 中斷• PCI 的中斷很容易處理，在啟動 Linux 時，電腦的韌體就已經分配好各裝置的 IRQ 號碼，所以驅動程式只要照用即可。

• Configuration register 60 ： PCI_INTERRUPT_LINE

• Configuration register 61︰ PCI_INTERRUPT_PINE

• 第九章介紹的中斷號碼探測技術也可以用在 PCI裝置上，只不過可以直接從 PCI_INTERRUPT_LINE 讀取中斷號碼，然後存在適當的變數裡即可，如下：

result = pci_read_config_byte(dev, PCI_INTERRUPT_LINE, &myirq);if (result) { /* deal with error */ }

熱插拔裝置的處置• 每當有新裝置再系統的生命週期中出現時，所有可用的驅動程式都必須檢查新裝置是不是她們要驅動的對象，因此與其使用傳統的 init 與 cleanup機制，支援熱插拔的驅動程式必須向核心註冊一個物件，以及一個 open 方法，該物件會要求 probe 來檢查是否應該持有新裝置，或是應該置之不理。我們稱為” Driver-Object技術”

• 或許會抗議現在還沒有可以在 PCI插槽上熱插拔的裝置。不過，對於必須處理多個替換裝置的驅動程式而言， Driver-Object技術也非常有用，因為在驅動程式進行初始化程序時，只需檢查目前裝置是否在已知清單中，而不必主動搜尋 PCI 匯流排。

其他 PC 匯流排• ISA

• PC/104 與 PC/104+

• MCA (Micro Channel Architecture)

• EISA (Extended ISA)

• VLB (VESA Local Bus)

• SBus

• NuBus

• 外接式匯流排 (USB)

USB

• 通用串列匯流排 (Universal Serial Bus)• 是目前唯一成熟到可以適度討論的外接式匯流排• USB 特性：

– 可以要求一段固定的頻寬，以便支援可靠的影音資料傳輸。

– 可被當成主機與裝置之間的純通訊管道，而不要求傳輸資料本身要編碼成特定的格式。

• Open Host Controller Interface (OHCI)• Universal Host Controller Interface (UHCI)• Enhanced Host Controller Interface (EHCI)

USB

• OHCI ：採用 Memory 存取方式 (CPU使用 I/O 指令來存取 USB Controller)

• UHCI ：採用 I/O-mapped 存取方式 (CPU使用記憶體指令來存取 USB Controller)

• EHCI ： USB2.0• cat /proc/pci

設計 USB 驅動程式• USB 裝置驅動程式的設計技巧，很類似於 pci_driver ：驅

動程式先向 USB 子系統註冊他的 driver物件，然後使用 vendor 與 device 識別碼辨認其驅動對象是否被接到系統上。