3. Linux PCI子系统架构

本章深入剖析 Linux PCI 子系统为设备驱动开发者提供的核心框架。理解 pci_driver 结构体、pci_device_id 匹配表以及模块加载/卸载的完整生命周期，是编写任何 PCI 设备驱动的基石。我们将从数据结构定义出发，逐步拆解内核如何发现设备、匹配驱动并完成初始化。

3.1 pci_driver 结构体：驱动的“身份证”

在 Linux 内核中，每个 PCI 驱动都必须实例化一个 struct pci_driver 结构体。这个结构体是驱动与 PCI 核心之间的契约，它定义了驱动的身份、支持哪些设备以及关键的操作函数指针。

以下是一个典型的 pci_driver 实例化示例：

#include <linux/pci.h>
#include <linux/module.h>

static int my_pci_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *id) {
    pr_info("MyPCI: Device found (vendor=0x%04x, device=0x%04x)\n", id->vendor, id->device);
    // 在此处进行硬件初始化
    return 0;
}

static void my_pci_remove(struct pci_dev *pdev) {
    pr_info("MyPCI: Device removed\n");
    // 在此处进行资源清理
}

static struct pci_driver my_pci_driver = {
    .name     = "my_pci_driver",
    .id_table = my_pci_id_table,  // 指向匹配表
    .probe    = my_pci_probe,
    .remove   = my_pci_remove,
};

module_pci_driver(my_pci_driver);

3.2 pci_device_id 匹配表：驱动与设备的“红娘”

pci_device_id 结构体定义了驱动所支持的 PCI 设备特征。PCI 核心通过遍历驱动的 ID 表，与系统中每个 PCI 设备的配置空间信息进行比对，从而决定是否调用该驱动的 probe 函数。

struct pci_device_id {
    __u32 vendor, device;      // 厂商ID和设备ID
    __u32 subvendor, subdevice; // 子系统厂商ID和设备ID
    __u32 class, class_mask;   // 设备类别和掩码
    unsigned long driver_data; // 驱动私有数据，可传递给 probe
};

匹配表通常使用 MODULE_DEVICE_TABLE 宏导出，以便内核在模块加载时知道该驱动支持哪些设备，也用于 depmod 工具生成模块依赖关系。

#define MY_VENDOR_ID  0x10EE  // 示例厂商ID
#define MY_DEVICE_ID  0x1234  // 示例设备ID

static const struct pci_device_id my_pci_id_table[] = {
    { PCI_DEVICE(MY_VENDOR_ID, MY_DEVICE_ID) },
    { PCI_DEVICE(0x8086, 0x100E) },          // 支持 Intel 千兆网卡
    { 0, }                                    // 必须以空条目结束
};

MODULE_DEVICE_TABLE(pci, my_pci_id_table);

常用的匹配宏：

• PCI_DEVICE(vendor, device)：匹配指定的厂商 ID 和设备 ID。
• PCI_DEVICE_CLASS(class, class_mask)：匹配指定的设备类别。
• PCI_VDEVICE(vendor, device)：使用厂商名称字符串（如 PCI_VENDOR_ID_INTEL）简化代码。

3.3 模块加载与卸载流程：驱动的生命周期

PCI 驱动的加载和卸载遵循标准的 Linux 内核模块机制，但 PCI 核心在其中扮演了关键的协调角色。整个流程可以概括为“注册-匹配-初始化”和“反初始化-注销”。

3.3.1 模块加载流程

1. 模块入口：当执行 insmod 或内核自动加载模块时，调用模块初始化函数（由 module_init 指定）。
2. 注册驱动：驱动调用 pci_register_driver()，将 pci_driver 结构体传递给 PCI 核心。
3. 设备枚举：PCI 核心遍历系统中所有已发现的 PCI 设备，对每个设备检查驱动的 id_table。
4. 匹配与 probe：如果找到匹配项，PCI 核心调用驱动的 probe 函数，并传入对应的 pci_dev 和 pci_device_id 指针。
5. 设备初始化：在 probe 函数中，驱动完成硬件初始化（如启用设备、分配 I/O 内存、注册中断等）。

3.3.2 模块卸载流程

1. 模块退出：执行 rmmod 时，调用模块退出函数（由 module_exit 指定）。
2. 注销驱动：驱动调用 pci_unregister_driver()，通知 PCI 核心该驱动即将卸载。
3. 调用 remove：PCI 核心为每个与该驱动关联的设备调用驱动的 remove 函数。
4. 资源清理：在 remove 函数中，驱动释放所有已分配的资源（I/O 内存、DMA 缓冲区、中断等）。
5. 驱动注销：PCI 核心将驱动从内部链表中移除，模块安全卸载。

3.4 辅助宏与最佳实践

为了简化代码，内核提供了 module_pci_driver() 宏，它自动生成标准的模块加载和卸载函数。对于大多数驱动，只需在文件末尾调用此宏即可。

/* 使用 module_pci_driver 宏简化代码 */
module_pci_driver(my_pci_driver);

/* 等价于以下手动展开的代码：
static int __init my_pci_init(void) {
    return pci_register_driver(&my_pci_driver);
}
static void __exit my_pci_exit(void) {
    pci_unregister_driver(&my_pci_driver);
}
module_init(my_pci_init);
module_exit(my_pci_exit);
*/