Ch15- Overview of Peripheral Buses

1. Ch15- Overview of Peripheral Buses

2. 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 interface) 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。

3. Outline • The PCI interface • A Look back：ISA • Other PC Buses • PC/104 and PC/104+ • SBus • NuBus • External Buses • Backward Compatibility

4. 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)

5. 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..

6. 典型PCI系統組織

7. 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 bridge 00:01.0 PCI bridge 00:05.0 Ethernet controller 00:07.0 ISA bridge 00:07.1 IDE interface 00:07.2 USB Controller 00:07.4 ISA bridge 00:07.5 Multimedia audio controller 00:07.6 Communication controller 00:0a.0 CardBus bridge 01:00.0 VGA compatible controller

8. 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 )

9. 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

10. 組態暫存器與初始化

11. 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。

12. 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…

13. 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, const struct pci_dev *from); • int pci_enable_device(struct pci_dev *dev); • struct pci_dev *pci_find_slot (unsigned int bus, unsigned int devfn);

14. 組態暫存器與初始化 #ifndef CONFIG_PCI # error "This driver needs PCI support to be available" #endif int 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; }

15. 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( )

16. 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);

17. 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

18. 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。

19. 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_IO IORESOURCE_MEM IORESOURCE_PREFETCH IORESOURCE_READONLY

20. 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 */ }

21. 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。

22. 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)

23. 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)

24. 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

25. 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。