2. 内核驱动框架

PCIe 设备驱动本质上是遵循 Linux 内核驱动框架的内核模块。理解 module_init/module_exit 的加载/卸载机制、file_operations 结构体提供的用户态交互接口，以及设备号注册的静态与动态策略，是编写和调试 PCIe 驱动的基石。本节将拆解这三个核心要素，并展示它们如何协同工作。

2.1 模块入口与出口：module_init / module_exit

每个内核驱动模块都必须声明初始化函数和清理函数。宏 module_init 和 module_exit 将这两个函数注册到内核模块加载/卸载框架中。

// 典型的 PCIe 驱动模块入口/出口骨架
#include <linux/module.h>
#include <linux/pci.h>

static int __init my_pcie_init(void)
{
    int ret;
    pr_info("my_pcie: module loaded\n");

    // 1. 分配/注册设备号
    // 2. 探测 PCIe 设备
    // 3. 初始化 file_operations

    return 0;
}

static void __exit my_pcie_exit(void)
{
    // 1. 注销设备号
    // 2. 释放 PCIe 设备
    // 3. 清理 file_operations

    pr_info("my_pcie: module unloaded\n");
}

module_init(my_pcie_init);
module_exit(my_pcie_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("PCIe Driver Example");

2.2 file_operations 结构体：用户态与内核态的桥梁

PCIe 驱动通常通过字符设备向用户态暴露控制接口。file_operations 结构体定义了用户态程序通过 open、read、write、ioctl、mmap 等系统调用与驱动交互的回调函数。

// file_operations 结构体定义示例
static int my_pcie_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    // 从 inode 获取设备私有数据
    struct my_dev *dev = container_of(inode->i_cdev, struct my_dev, cdev);
    filp->private_data = dev;
    return 0;
}

static ssize_t my_pcie_read(struct file *filp, char __user *buf,
                            size_t count, loff_t *f_pos)
{
    struct my_dev *dev = filp->private_data;
    // 从 PCIe BAR 读取数据并拷贝到用户空间
    // 使用 copy_to_user() 确保安全
    return count;
}

static long my_pcie_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
                          unsigned long arg)
{
    struct my_dev *dev = filp->private_data;
    // 根据 cmd 执行不同操作
    return 0;
}

static const struct file_operations my_pcie_fops = {
    .owner          = THIS_MODULE,
    .open           = my_pcie_open,
    .release        = my_pcie_release,
    .read           = my_pcie_read,
    .write          = my_pcie_write,
    .unlocked_ioctl = my_pcie_ioctl,
    .mmap           = my_pcie_mmap,
};

2.3 设备号注册：静态分配 vs 动态分配

每个字符设备在系统中由主设备号（major）和次设备号（minor）唯一标识。PCIe 驱动必须在 module_init 中注册设备号，并在 module_exit 中注销。

// 动态分配设备号（推荐用于调试阶段）
#include <linux/fs.h>

#define DEVICE_NAME "my_pcie"
#define MINOR_COUNT 1

static int dev_major;
static dev_t dev_num;

static int __init my_pcie_init(void)
{
    int ret;

    // 动态分配设备号
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, MINOR_COUNT, DEVICE_NAME);
    if (ret < 0) {
        pr_err("Failed to allocate device number\n");
        return ret;
    }
    dev_major = MAJOR(dev_num);
    pr_info("Allocated major number %d\n", dev_major);

    // 后续：cdev_init() + cdev_add()
    return 0;
}

static void __exit my_pcie_exit(void)
{
    unregister_chrdev_region(dev_num, MINOR_COUNT);
    pr_info("Device number unregistered\n");
}

2.4 三要素协同工作流

在 PCIe 驱动中，module_init/module_exit、file_operations 和设备号注册三者必须紧密配合，形成完整的驱动生命周期。

1. 加载阶段（module_init）： 分配/注册设备号 → 初始化 cdev 结构体并关联 file_operations → 调用 cdev_add() 将设备加入系统 → 探测 PCIe 设备并映射 BAR 空间。
2. 运行阶段： 用户态通过设备节点调用 file_operations 回调，驱动通过 BAR 地址读写 PCIe 配置空间、内存空间或 I/O 空间。
3. 卸载阶段（module_exit）： 调用 cdev_del() 移除设备 → 注销设备号 → 释放 PCIe 资源（取消 BAR 映射、释放中断、释放 DMA 缓冲区）。