3. PCI设备驱动框架：pci_driver结构体、probe/remove回调、设备ID表、模块化注册

PCI（Peripheral Component Interconnect）设备驱动是Linux网络设备驱动中最典型的实现路径。无论是千兆以太网卡还是万兆光纤适配器，其驱动核心都围绕一个统一的框架展开：pci_driver。本章将拆解这个框架的四个关键要素：驱动结构体、探测/移除回调、设备ID匹配表以及模块化注册流程。

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。这个结构体定义了驱动的名称、支持的设备列表、生命周期回调以及电源管理接口。它是内核与驱动之间的标准接口。

// 定义于 include/linux/pci.h
struct pci_driver {
    const char *name;                   // 驱动名称，用于sysfs和内核日志
    const struct pci_device_id *id_table; // 设备ID表，用于匹配硬件
    int  (*probe)  (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);
    void (*remove) (struct pci_dev *dev);
    int  (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);
    int  (*resume)  (struct pci_dev *dev);
    // ... 其他高级回调（shutdown、sriov_configure等）
};

3.2 probe/remove回调：驱动的初始化和善后

probe 是PCI驱动中最重要的函数。当内核发现一个PCI设备的Vendor ID和Device ID与驱动的id_table匹配时，就会调用probe。probe的职责是“让设备准备好被使用”。

remove 是probe的逆操作。当设备被物理移除、驱动被卸载或系统进入低功耗状态时，内核调用remove。remove必须释放probe分配的所有资源，否则会导致内存泄漏或内核崩溃。

probe 典型执行步骤

1. 启用PCI设备： 调用 pci_enable_device()，激活设备上的I/O和内存空间。
2. 请求资源： 调用 pci_request_regions()，声明对BAR空间的独占访问。
3. 设置DMA掩码： 调用 dma_set_mask() 和 dma_set_coherent_mask()，告知设备可用地址范围。
4. 映射BAR空间： 使用 pci_iomap() 将设备寄存器映射到内核虚拟地址空间。
5. 初始化私有数据结构： 分配 net_device 和私有数据块，设置硬件操作函数集 netdev_ops。
6. 注册网络设备： 调用 register_netdev()，使设备对网络层可见。

static int my_pci_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *id)
{
    struct net_device *netdev;
    struct my_adapter *adapter;
    int ret;

    // 1. 启用PCI设备
    ret = pci_enable_device(pdev);
    if (ret)
        return ret;

    // 2. 请求I/O和内存区域
    ret = pci_request_regions(pdev, DRV_NAME);
    if (ret)
        goto err_disable;

    // 3. 设置DMA掩码（64位优先，回退到32位）
    ret = dma_set_mask(&pdev->dev, DMA_BIT_MASK(64));
    if (ret) {
        ret = dma_set_mask(&pdev->dev, DMA_BIT_MASK(32));
        if (ret)
            goto err_release;
    }

    // 4. 分配net_device + 私有数据
    netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct my_adapter));
    if (!netdev) {
        ret = -ENOMEM;
        goto err_release;
    }
    adapter = netdev_priv(netdev);
    adapter->pdev = pdev;
    adapter->netdev = netdev;

    // 5. 映射BAR0寄存器空间
    adapter->hw_addr = pci_iomap(pdev, 0, 0);
    if (!adapter->hw_addr) {
        ret = -EIO;
        goto err_free_netdev;
    }

    // 6. 设置netdev操作函数
    netdev->netdev_ops = &my_netdev_ops;
    netdev->ethtool_ops = &my_ethtool_ops;

    // 7. 注册网络设备
    ret = register_netdev(netdev);
    if (ret)
        goto err_iounmap;

    // 保存pci_drvdata便于remove访问
    pci_set_drvdata(pdev, netdev);

    return 0;

err_iounmap:
    pci_iounmap(pdev, adapter->hw_addr);
err_free_netdev:
    free_netdev(netdev);
err_release:
    pci_release_regions(pdev);
err_disable:
    pci_disable_device(pdev);
    return ret;
}

remove 回调实现

static void my_pci_remove(struct pci_dev *pdev)
{
    struct net_device *netdev = pci_get_drvdata(pdev);
    struct my_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);

    // 1. 注销网络设备（必须在释放资源之前）
    unregister_netdev(netdev);

    // 2. 取消映射寄存器
    pci_iounmap(pdev, adapter->hw_addr);

    // 3. 释放net_device
    free_netdev(netdev);

    // 4. 释放PCI资源
    pci_release_regions(pdev);

    // 5. 禁用PCI设备
    pci_disable_device(pdev);
}

3.3 设备ID表：驱动与硬件的匹配规则

设备ID表是驱动声明“我能管理哪些硬件”的清单。内核PCI核心在枚举总线时，会读取每个PCI设备的Vendor ID、Device ID等信息，然后遍历所有已注册驱动的id_table，寻找匹配项。

// 定义于 include/linux/mod_devicetable.h
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（可设为PCI_ANY_ID）
    __u32 class, class_mask;   // 设备类别和掩码
    unsigned long driver_data; // 驱动私有数据，probe时通过id->driver_data获取
};

// 实际驱动中的ID表定义示例
#define PCI_VENDOR_ID_MYVENDOR  0x1234
#define PCI_DEVICE_ID_MYCHIP_A 0x5678
#define PCI_DEVICE_ID_MYCHIP_B 0x5679

static const struct pci_device_id my_pci_tbl[] = {
    { PCI_VDEVICE(MYVENDOR, PCI_DEVICE_ID_MYCHIP_A), .driver_data = CHIP_A },
    { PCI_VDEVICE(MYVENDOR, PCI_DEVICE_ID_MYCHIP_B), .driver_data = CHIP_B },
    { 0, }  // 必须以空条目结束
};
MODULE_DEVICE_TABLE(pci, my_pci_tbl);  // 导出给用户空间热插拔工具

3.4 模块化注册：pci_register_driver / pci_unregister_driver

驱动模块的入口和出口函数负责向内核注册和注销pci_driver。这是模块化编程的标准模式，通常放在模块的init和exit函数中。

static struct pci_driver my_pci_driver = {
    .name     = DRV_NAME,
    .id_table = my_pci_tbl,
    .probe    = my_pci_probe,
    .remove   = my_pci_remove,
    // 电源管理回调（可选但推荐）
    .driver.pm = &my_pm_ops,
};

static int __init my_driver_init(void)
{
    int ret;

    pr_info("Loading %s PCI driver\n", DRV_NAME);

    // 注册PCI驱动
    ret = pci_register_driver(&my_pci_driver);
    if (ret)
        pr_err("Failed to register PCI driver: %d\n", ret);

    return ret;
}

static void __exit my_driver_exit(void)
{
    pr_info("Unloading %s PCI driver\n", DRV_NAME);
    pci_unregister_driver(&my_pci_driver);
}

module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("My PCI Ethernet Driver");

3.5 本章小结

PCI设备驱动框架是网络驱动开发的基石。理解pci_driver结构体的每个字段、probe/remove的对称资源管理、设备ID表的匹配机制以及模块化注册的时序，是编写稳定、可移植网络驱动的第一步。在下一章中，我们将深入probe内部，详细讲解如何初始化PCI设备、分配DMA缓冲区以及注册net_device。