3.2 PCI子系統對象

在PCI總線體系結構中，存在兩個核心的概念：PCI總線和PCI設備（橋設備是一種特殊的PCI設備）。基于對這兩個核心概念的抽象，Linux PCI子系統定義了兩個關鍵的數據結構：pci_bus和pci_dev，以分別描述PCI總線和PCI設備。

圖3-9反映了PCI子系統對象之間的關系。接下來會看到，PCI總線的掃描、PCI設備的配置以及在sysfs文件系統中的目錄樹都是基于這種關系展開的。

在圖3-9中，我們看到，總線分為兩類：根總線和非根總線。系統中可能有多條根總線，它們組成一個鏈表。非根總線也鏈接到父總線的子總線鏈表中。每條總線都有一個設備鏈表，其中鏈接有橋設備和非橋設備。非根總線和引出它的橋設備相互關聯起來。

3.2.1 pci_bus：PCI總線

pci_bus是描述PCI總線的結構。無論是根PCI總線，還是非根PCI總線，都對應一個pci_bus（其結構中的域如表3-1所示）描述符。這里所述的PCI總線需要稍微解釋一下。它并不是驅動模型中講到的總線類型的概念。在PCI子系統中，和驅動模型相對應的概念是PCI總線類型，亦即前面提到的pci_bus_type。

表3-1 pci_bus結構中的域（來自文件include/linux/pci.h）

每條PCI非根總線的parent域都指向它在層次結構上的父總線，至于PCI根總線，因為沒有更上層的總線，所以parent域為NULL。

對于PCI根總線而言，其pci_bus結構鏈入到根總線鏈表，根總線鏈表的表頭記錄在全局變量pci_root_buses，PCI根總線鏈入此鏈表的連接件為node域。

而對于非根PCI總線，其pci_bus結構通過node成員鏈接到父PCI總線的子總線鏈表children中。

每條PCI總線都維護一個自己的設備鏈表視圖，以便描述所有連接在該PCI總線上的設備，其表頭為devices域。

非根PCI總線的self域指向引出它的橋設備。而對于根PCI總線，雖然它是從主橋引出的，但是主橋的行為與PCI設備和橋設備有很大的不同，在PCI子系統中沒有對應的pci_dev結構，因此這個域為NULL。

接下來介紹結構中描述PCI總線信息的主要域。primary、secondary和subordinate域反映了PCI總線的各種總線號。PCI總線枚舉過程中，這些號碼被確定下來，一方面記錄在對應PCI橋設備的配置空間中（使得PCI配置事務可以正常工作），另一方面保存在pci_bus描述符的內部域中（被PCI核心提供給PCI設備驅動的API使用，或者被PCI設備驅動直接使用）。number域為PCI的總線號，總是等于secondary域的值。

3.2.2 pci_dev：PCI設備

PCI設備可以從兩個方面理解。由于每條PCI總線上可以掛載的物理設備數目是有限的，因此作為擴展，每個物理設備可以包含多個功能，即邏輯設備。從物理硬件的角度，PCI設備實際上指的是包含從一個到八個“功能”的某個PCI硬件，它被集成到系統主板上，或者安裝在插槽中，這是PCI物理硬件的概念。但是，從操作系統的角度，PCI設備的每個功能都是一個設備，或者說PCI邏輯設備，它們會在系統中有自己的數據結構，可以被內核或驅動獨立地操作。

為避免混淆，本書用通常用術語“PCI插槽”來表示一個PCI物理設備，而用“PCI設備”作為PCI邏輯設備的簡稱，表示PCI物理設備中的一個功能。所有種類的PCI設備都可以用數據結構pci_dev（其結構中的域如表3-2所示）來描述。更為準確地說，一個pci_dev描述了PCI設備的一個功能，即PCI邏輯設備。

表3-2 pci_dev結構中的域

續表

續表

這里需要再強調一次，Linux PCI子系統中的pci_dev描述符指的是PCI邏輯設備。因此看到一個PCI主機適配器，就應該想到在系統內存中可能有多個對應的pci_dev。對于SCSI子系統也是這樣的道理，只不過在那里，PCI設備功能的概念被換成了SCSI磁盤的邏輯單元。

pci_dev數據結構中一些域的具體說明如下。

每一個PCI設備也通過其pci_dev結構中的bus_list域鏈入其所在PCI總線的局部設備鏈表中，而對應的表頭就在前面提到的pci_bus結構中的devices域。

指針bus指向這個PCI設備所橋接的主總線，而指針subordinate指向這個PCI設備所橋接的次總線。后者僅對橋設備才有意義，對于一般的非橋PCI設備而言，subordinate指針域總是為NULL。

PCI設備的devfn域是PCI設備在PCI總線上的編號，是將高5位為插槽號、低3位為功能號放在一起編碼的結果，它們是在PCI總線掃描過程中配置的。

pci_dev結構中有很多域是PCI設備的配置空間內容在內存中的“副本”，它們在PCI子系統初始化過程中被讀出，保存在內存中。內核和驅動對PCI的操作大體上直接在這些域上進行，除非發生修改，需要將修改后的數據更新到PCI設備的配置空間。

hdr_type域對應從PCI設備配置寄存器中讀取的頭類型的低7位，第8位多功能標志已經被屏蔽。值00h表示描述符描述的是一個標準的PCI設備，值01h描述的是PCI-PCI橋設備。multifunction域則記錄了PCI設備配置寄存器中的頭類型域的高1位，即上面被被屏蔽掉的多功能位，表示這個PCI邏輯設備是否是多功能設備的一部分。

雖然標準PCI設備和PCI-PCI橋設備的配置空間中都含有ROM基地址寄存器，但是ROM基地址寄存器在這兩種不同類型的PCI配置空間頭部的位置是不一樣的，對于類型0的配置空間布局，ROM基地址寄存器的起始位置是30h，而對于PCI-to-PCI橋所用的類型1配置空間布局，ROM基地址寄存器的起始位置是38h。rom_base_reg域記錄下ROM基地址寄存器在PCI配置空間中的位置。

無論是配置，還是掃描，都是基于PCI邏輯設備的。PCI物理設備的概念在PCI子系統中并不那么突出，也不是本書的重點。不過它也不可或缺，一個典型的例子就是熱插拔，這必然要針對PCI物理設備。描述PCI物理設備（或稱物理插槽）的數據結構是pci_slot（其結構中的域如表3-3所示），pci_dev描述符的slot域就指向它。

表3-3 pci_slot結構中的域（來自文件include/linux/pci.h）

一條PCI總線包含多個PCI插槽，每個PCI插槽屬于一條PCI總線。PCI插槽通過bus域指向所屬的PCI總線，并以list域為連接件鏈接到它的PCI插槽鏈表，PCI總線描述符的slots域為該鏈表的表頭。當然，判斷PCI設備和PCI插槽是否有關聯，需要看它們的插槽/功能號的高5位是否一樣。

在討論了與業務邏輯有關的域之后，在回過頭看與Linux驅動模型有關的域。PCI總線和PCI設備都分別有一個內嵌的驅動模型設備描述符，不過它們的作用不同。PCI總線內嵌的是一個類設備對象，通過它鏈接到PCI總線類（pcibus_class）的設備鏈表；而PCI設備內嵌的是一個通用設備對象，通過它鏈接到PCI總線類型（pci_bus_type）的設備鏈表。

此外，在PCI總線描述符中，還有一個指針域bridge，對于非根PCI總線，它指向引出這條總線的橋設備內嵌的驅動模型設備，這樣就在sysfs文件系統中建立了PCI總線和PCI設備之間的聯系，也即確定了它們所對應目錄的相對位置，PCI子系統的驅動模型對象關系如圖3-10所示。對于根PCI總線，這個域指向一個新建的“虛擬”驅動模型設備，我們可以將它看作是主橋在sysfs文件系統中的代表——它是這條總線及所有下游總線和設備所對應目錄樹在sysfs文件系統中的根。