3.2 PCI子系统对象

在PCI总线体系结构中，存在两个核心的概念：PCI总线和PCI设备（桥设备是一种特殊的PCI设备）。基于对这两个核心概念的抽象，Linux PCI子系统定义了两个关键的数据结构：pci_bus和pci_dev，以分别描述PCI总线和PCI设备。

图3-9反映了PCI子系统对象之间的关系。接下来会看到，PCI总线的扫描、PCI设备的配置以及在sysfs文件系统中的目录树都是基于这种关系展开的。

在图3-9中，我们看到，总线分为两类：根总线和非根总线。系统中可能有多条根总线，它们组成一个链表。非根总线也链接到父总线的子总线链表中。每条总线都有一个设备链表，其中链接有桥设备和非桥设备。非根总线和引出它的桥设备相互关联起来。

3.2.1 pci_bus：PCI总线

pci_bus是描述PCI总线的结构。无论是根PCI总线，还是非根PCI总线，都对应一个pci_bus（其结构中的域如表3-1所示）描述符。这里所述的PCI总线需要稍微解释一下。它并不是驱动模型中讲到的总线类型的概念。在PCI子系统中，和驱动模型相对应的概念是PCI总线类型，亦即前面提到的pci_bus_type。

表3-1 pci_bus结构中的域（来自文件include/linux/pci.h）

每条PCI非根总线的parent域都指向它在层次结构上的父总线，至于PCI根总线，因为没有更上层的总线，所以parent域为NULL。

对于PCI根总线而言，其pci_bus结构链入到根总线链表，根总线链表的表头记录在全局变量pci_root_buses，PCI根总线链入此链表的连接件为node域。

而对于非根PCI总线，其pci_bus结构通过node成员链接到父PCI总线的子总线链表children中。

每条PCI总线都维护一个自己的设备链表视图，以便描述所有连接在该PCI总线上的设备，其表头为devices域。

非根PCI总线的self域指向引出它的桥设备。而对于根PCI总线，虽然它是从主桥引出的，但是主桥的行为与PCI设备和桥设备有很大的不同，在PCI子系统中没有对应的pci_dev结构，因此这个域为NULL。

接下来介绍结构中描述PCI总线信息的主要域。primary、secondary和subordinate域反映了PCI总线的各种总线号。PCI总线枚举过程中，这些号码被确定下来，一方面记录在对应PCI桥设备的配置空间中（使得PCI配置事务可以正常工作），另一方面保存在pci_bus描述符的内部域中（被PCI核心提供给PCI设备驱动的API使用，或者被PCI设备驱动直接使用）。number域为PCI的总线号，总是等于secondary域的值。

3.2.2 pci_dev：PCI设备

PCI设备可以从两个方面理解。由于每条PCI总线上可以挂载的物理设备数目是有限的，因此作为扩展，每个物理设备可以包含多个功能，即逻辑设备。从物理硬件的角度，PCI设备实际上指的是包含从一个到八个“功能”的某个PCI硬件，它被集成到系统主板上，或者安装在插槽中，这是PCI物理硬件的概念。但是，从操作系统的角度，PCI设备的每个功能都是一个设备，或者说PCI逻辑设备，它们会在系统中有自己的数据结构，可以被内核或驱动独立地操作。

为避免混淆，本书用通常用术语“PCI插槽”来表示一个PCI物理设备，而用“PCI设备”作为PCI逻辑设备的简称，表示PCI物理设备中的一个功能。所有种类的PCI设备都可以用数据结构pci_dev（其结构中的域如表3-2所示）来描述。更为准确地说，一个pci_dev描述了PCI设备的一个功能，即PCI逻辑设备。

表3-2 pci_dev结构中的域

续表

续表

这里需要再强调一次，Linux PCI子系统中的pci_dev描述符指的是PCI逻辑设备。因此看到一个PCI主机适配器，就应该想到在系统内存中可能有多个对应的pci_dev。对于SCSI子系统也是这样的道理，只不过在那里，PCI设备功能的概念被换成了SCSI磁盘的逻辑单元。

pci_dev数据结构中一些域的具体说明如下。

每一个PCI设备也通过其pci_dev结构中的bus_list域链入其所在PCI总线的局部设备链表中，而对应的表头就在前面提到的pci_bus结构中的devices域。

指针bus指向这个PCI设备所桥接的主总线，而指针subordinate指向这个PCI设备所桥接的次总线。后者仅对桥设备才有意义，对于一般的非桥PCI设备而言，subordinate指针域总是为NULL。

PCI设备的devfn域是PCI设备在PCI总线上的编号，是将高5位为插槽号、低3位为功能号放在一起编码的结果，它们是在PCI总线扫描过程中配置的。

pci_dev结构中有很多域是PCI设备的配置空间内容在内存中的“副本”，它们在PCI子系统初始化过程中被读出，保存在内存中。内核和驱动对PCI的操作大体上直接在这些域上进行，除非发生修改，需要将修改后的数据更新到PCI设备的配置空间。

hdr_type域对应从PCI设备配置寄存器中读取的头类型的低7位，第8位多功能标志已经被屏蔽。值00h表示描述符描述的是一个标准的PCI设备，值01h描述的是PCI-PCI桥设备。multifunction域则记录了PCI设备配置寄存器中的头类型域的高1位，即上面被被屏蔽掉的多功能位，表示这个PCI逻辑设备是否是多功能设备的一部分。

虽然标准PCI设备和PCI-PCI桥设备的配置空间中都含有ROM基地址寄存器，但是ROM基地址寄存器在这两种不同类型的PCI配置空间头部的位置是不一样的，对于类型0的配置空间布局，ROM基地址寄存器的起始位置是30h，而对于PCI-to-PCI桥所用的类型1配置空间布局，ROM基地址寄存器的起始位置是38h。rom_base_reg域记录下ROM基地址寄存器在PCI配置空间中的位置。

无论是配置，还是扫描，都是基于PCI逻辑设备的。PCI物理设备的概念在PCI子系统中并不那么突出，也不是本书的重点。不过它也不可或缺，一个典型的例子就是热插拔，这必然要针对PCI物理设备。描述PCI物理设备（或称物理插槽）的数据结构是pci_slot（其结构中的域如表3-3所示），pci_dev描述符的slot域就指向它。

表3-3 pci_slot结构中的域（来自文件include/linux/pci.h）

一条PCI总线包含多个PCI插槽，每个PCI插槽属于一条PCI总线。PCI插槽通过bus域指向所属的PCI总线，并以list域为连接件链接到它的PCI插槽链表，PCI总线描述符的slots域为该链表的表头。当然，判断PCI设备和PCI插槽是否有关联，需要看它们的插槽/功能号的高5位是否一样。

在讨论了与业务逻辑有关的域之后，在回过头看与Linux驱动模型有关的域。PCI总线和PCI设备都分别有一个内嵌的驱动模型设备描述符，不过它们的作用不同。PCI总线内嵌的是一个类设备对象，通过它链接到PCI总线类（pcibus_class）的设备链表；而PCI设备内嵌的是一个通用设备对象，通过它链接到PCI总线类型（pci_bus_type）的设备链表。

此外，在PCI总线描述符中，还有一个指针域bridge，对于非根PCI总线，它指向引出这条总线的桥设备内嵌的驱动模型设备，这样就在sysfs文件系统中建立了PCI总线和PCI设备之间的联系，也即确定了它们所对应目录的相对位置，PCI子系统的驱动模型对象关系如图3-10所示。对于根PCI总线，这个域指向一个新建的“虚拟”驱动模型设备，我们可以将它看作是主桥在sysfs文件系统中的代表——它是这条总线及所有下游总线和设备所对应目录树在sysfs文件系统中的根。