Linux Device Driver 기초 #8 PCI 드라이버

PCI(Peripheral Component Interconnect) 드라이버

버스는 전기적 인터페이스와 프로그래밍 인터페이스로 구성된다.

주로 현대 데스크탑 및 대형 컴퓨터에서는 PCI 버스 가 많이 사용된다.

PCI 장치가 시스템의 하드웨어를 찾고 접근하는 방법

특정 드라이버가 하드웨어를 탐지하고 접근할 수 있도록 지원

32비트 데이터 버스를 기본으로 사용하며, 64비트 확장도 포함되어 있음
PCI 버스는 ISA보다 높은 클럭 속도로 더 나은 성능을 달성
플랫폼 독립성을 고려한 설계로, 다양한 프로세서 아키텍처(IA-32, Alpha, PowerPC, SPARC64, IA-64 등)에서 사용됨
특히 중요한 점은 PCI가 인터페이스 보드의 자동 감지 및 구성(auto-detection)을 지원한다는 점
이는 점퍼가 필요 없고 부팅 시 자동으로 설정되며, 드라이버는 탐색 없이 구성 정보를 얻어 초기화를 진행할 수 있음

PCI 주소 지정

각 PCI 주변 장치는 버스 번호, 장치 번호, 함수 번호로 식별됨
하나의 시스템은 최대 256개의 버스를 가질 수 있지만, 이 한계를 넘어서는 경우 Linux에서는 PCI 도메인 기능을 지원
각 PCI 도메인은 최대 256개의 버스를, 각 버스는 최대 32개의 장치를, 각 장치는 최대 8개의 기능을 포함할 수 있음

PCI 시스템 레이아웃

다음은 일반적인 PCI 시스템의 구조이다. RAM, CPU가 있고, 여러 브리지(Host Bridge, ISA Bridge, CardBus Bridge, PCI Bridge)가 연결되어 있다.

Host Bridge는 CPU와 PCI 버스를 연결
PCI Bridge는 여러 개의 PCI 버스를 서로 연결
ISA Bridge는 ISA 장치와 연결
CardBus Bridge는 노트북에서 사용되는 확장 슬롯(CardBus)와 연결

PCI 주소 포맷

PCI 장치는 보통 버스 번호, 장치 번호, 기능 번호를 기준으로 식별됨
이 주소 값들은 일반적으로 16진수로 표시됨
예를 들어, /proc/bus/pci/devices 파일은 단일 16비트 필드로 주소를 표시하여 구문 분석과 정렬을 쉽게함
반면, /proc/bus/busnumber 파일은 주소를 세 가지 필드(버스, 장치, 기능)로 나눔
lspci 명령을 사용하면 PCI 장치의 주소와 장치 종류를 확인할 수 있음
- lspci 명령에서 나오는 정보는 /proc 파일 시스템에서 가져옴
- 예를 들어, VGA 비디오 컨트롤러 주소 0x00a0는 0000:00:14.0로 해석
- 여기서 도메인(16비트), 버스(8비트), 장치(5비트), 기능(3비트)로 구성

$ lspci
00:00.0 Host bridge: Intel Corporation Device 191f (rev 07)
00:02.0 VGA compatible controller: Intel Corporation Device 1912 (rev 06)
00:14.0 USB controller: Intel Corporation Device a12f (rev 31)
00:14.2 Signal processing controller: Intel Corporation Device a131 (rev 31)
00:16.0 Communication controller: Intel Corporation Device a13a (rev 31)
00:17.0 SATA controller: Intel Corporation Device a102 (rev 31)
00:1c.0 PCI bridge: Intel Corporation Device a114 (rev f1)
00:1c.5 PCI bridge: Intel Corporation Device a115 (rev f1)
00:1d.0 PCI bridge: Intel Corporation Device a118 (rev f1)
00:1f.0 ISA bridge: Intel Corporation Device a143 (rev 31)
00:1f.2 Memory controller: Intel Corporation Device a121 (rev 31)
00:1f.3 Audio device: Intel Corporation Device a170 (rev 31)
00:1f.4 SMBus: Intel Corporation Device a123 (rev 31)
01:00.0 Ethernet controller: Realtek Semiconductor Co., Ltd. RTL8111/8168/8411 PCI Express Gigabit Ethernet Controller (rev 0c)
02:00.0 PCI bridge: Integrated Technology Express, Inc. Device 8892 (rev 41)
03:00.0 Ethernet controller: Realtek Semiconductor Co., Ltd. RTL8169 PCI Gigabit Ethernet Controller (rev 10)

PCI 주소 공간

PCI 장치는 세 가지 주소 공간을 사용
- 메모리 위치
- I/O 포트
- 구성 레지스터(Configuration Registers)
메모리와 I/O 주소는 동일한 PCI 버스에 있는 모든 장치가 동시에 접근할 수 있음
구성 공간은 지리적 주소 지정 방식을 사용하여 한 번에 하나의 장치만 접근하도록 함

메모리 및 I/O 공간 처리

드라이버 관점에서 메모리 및 I/O 영역은 일반적으로 readb, readw, readl 등으로 접근
구성 트랜잭션은 특정 장치의 구성 레지스터에 접근하는 방식으로 수행
PCI 사양은 인터럽트 라인을 공유할 수 있도록 하여, 제한된 IRQ 라인을 가진 시스템에서도 여러 PCI 장치를 연결할 수 있게함
예를 들어, x86 시스템은 제한된 IRQ 라인을 가지지만, 각 인터럽트에 네 개의 핀을 연결할 수 있어 여러 PCI 인터페이스 보드를 처리할 수 있음

I/O 공간과 메모리 공간

PCI 버스의 I/O 공간은 32비트 주소 버스를 사용하여 4GB의 I/O 포트를 지원
메모리 공간은 32비트 또는 64비트 주소를 사용할 수 있으며, 최신 플랫폼에서는 64비트를 지원
각 장치의 메모리와 I/O 주소가 재배치될 수 있으며, 이 과정은 충돌을 방지하기 위해 시스템 부팅 시 펌웨어가 처리
구성 공간에서 주소 정보를 읽은 후, Linux 드라이버는 장치에 안전하게 접근할 수 있음

구성 공간(Configuration Space)

**PCI 구성 공간 레지스터 맵:**

      |--MSB                                     LSB--|
      |     +03H     |      +02H     |       +01H     |      +00H     |
  00H |       디바이스 ID            |         벤더 ID                |
  04H |       스테이터스             |         커맨드                 |
  08H |                    클래스 코드                |  revision ID  |
  0CH |  자기진단(BIST)  |    헤더타입  | 레이턴시타이머 |  캐시라인크기 |
  10H |                기준주소 레지스터 0                             |
  14H |                기준주소 레지스터 1                             |
  18H |                기준주소 레지스터 2                             |
  1CH |                기준주소 레지스터 3                             |
  20H |                기준주소 레지스터 4                             |
  24H |                기준주소 레지스터 5                             |
  28H |                       예약                                    |
  2CH |                       예약                                    |
  30H |                기준주소 레지스터 5                             |
  34H |                       예약                                    |
  38H |                       예약                                    |
  3CH |  최대 레이턴시  | 최소 그란트 |   인터럽트 핀   | 인터럽트 라인 |

각 장치 함수는 256바이트의 구성 공간을 가지며, PCI Express 장치는 4KB의 구성 공간을 가짐
구성 레지스터의 레이아웃은 표준화되어 있음
구성 공간의 첫 4바이트는 장치의 고유한 ID를 포함하고 있어, 드라이버가 이를 통해 장치를 식별할 수 있음
PCI 인터페이스의 주요 혁신 중 하나는 구성 주소 공간의 존재
이를 통해 드라이버는 장치 탐색 과정에서 위험한 작업을 피하고 안전하게 장치에 접근할 수 있음

부팅 (Boot Time) 후 초기화

PCI 장치 설정은 시스템 부팅 시 이루어짐
부팅 시점에서 장치가 설정되며, 드라이버는 장치의 구성 공간을 통해 장치를 식별하고 접근할 수 있음

PCI 장치 초기화

1. PCI 장치는 전원이 공급될 때 메모리와 I/O 포트가 비활성화된 상태로 시작한다.

이유는 PCI 버스에 연결된 장치들은 기본적으로 버스와 연결이 끊어진 상태이다.
이는 장치가 초기에는 동작하지 않는 상태임을 의미하며, 장치의 모든 기능이 비활성화되어 있다.
즉, 장치는 설정 트랜잭션에만 응답하며, 전원이 켜진 후에는 인터럽트 보고와 같은 장치 고유의 기능이 모두 비활성화된다.
하지만 구성 공간(Configuration Space), 즉 장치의 환경 설정 영역만은 시스템 프로세서(CPU)가 접근할 수 있다.
대부분의 마더보드는 BIOS, NVRAM 또는 PROM과 같은 PCI 지원 펌웨어를 갖추고 있으며, 이를 통해 설정 공간을 읽고 쓸 수 있게한다.
구성 공간은 운영체제나 CPU가 장치와 통신할 수 있도록 설정 값을 저장하는 곳
이 영역을 통해 장치에 관한 기본 정보(장치 ID, 벤더 ID 등)를 확인할 수 있다.

2. 운영체제가 장치 정보를 수집

운영체제는 부팅 과정에서 PCI 버스에 연결된 모든 장치의 구성 공간을 차례로 검사한다.
이때 각 장치가 필요로 하는 I/O 주소 공간과 인터럽트 번호와 같은 자원을 확인하고, 장치의 종류와 기능에 관한 기타 필요한 정보를 수집한다.
이를 통해 운영체제는 장치가 어떤 기능을 수행할 수 있는지 파악하게 된다.

3. 운영체제가 내부 정보 정리 및 자원 할당

운영체제는 수집한 정보를 바탕으로 각 PCI 장치를 관리하기 위한 내부적인 데이터 구조를 구성한다.
그리고 각 장치가 사용할 I/O 주소와 인터럽트 번호를 할당한다.
이렇게 할당된 자원은 시스템 내에서 다른 장치와 겹치지 않도록 관리된다.

4. 환경 설정 영역에 자원 정보 기록

운영체제는 할당한 I/O 주소와 인터럽트 번호를 각 장치의 구성 공간(Configuration Space)에 기록한다.
이 과정을 통해 장치가 운영체제에서 설정한 자원 정보를 알 수 있게된다.

5. 장치 활성화

프로세서가 I/O 주소와 인터럽트 번호를 장치의 구성 공간에 쓰는 순간, 장치는 설정된 I/O 주소와 인터럽트 번호를 사용하여 작동을 시작할 수 있다.
이때부터 프로세서는 해당 I/O 주소를 통해 장치에 접근할 수 있으며, 장치는 운영체제에서 할당된 인터럽트 번호를 사용해 인터럽트를 발생시킬 수 있다.

시스템 부팅 시 펌웨어 또는 Linux 커널이 PCI 주변 장치와의 설정 트랜잭션을 수행하여 각 주소 영역에 안전한 위치를 할당한다.
드라이버가 장치에 접근할 때는 이미 메모리와 I/O 영역이 프로세서 주소 공간에 매핑된 상태이다.

PCI 장치 정보 조회

사용자는 /proc/bus/pci/devices 및 /proc/bus/pci/* 파일을 통해 PCI 장치 목록과 구성 레지스터 정보를 확인할 수 있다.

$ ls /proc/bus/pci
00  01  02  03  devices
$ ls /proc/bus/pci/01
00.0

/proc/bus/pci
- 커널이 제공하는 가상 파일 시스템으로, 시스템의 PCI 버스와 장치 정보를 가지고 있음
- 00, 01, 02, 03과 같은 디렉토리는 각각의 PCI 버스를 나타내며, 숫자는 버스 번호
- 예를 들어, /proc/bus/pci/01/00.0 파일은 버스 번호 01에 있는 장치 00.0에 대한 정보를 포함
- devices 파일은 시스템에 있는 모든 PCI 장치에 대한 요약 정보를 제공하는 파일

sysfs 트리(/sys/bus/pci/devices/)에서 개별 PCI 장치 디렉터리를 찾아볼 수 있다.

$ ls /sys/bus/pci/devices/
0000:00:00.0  0000:00:02.0  0000:00:14.0  0000:00:14.2  0000:00:16.0  0000:00:17.0  0000:00:1c.0  0000:00:1c.5  0000:00:1d.0  0000:00:1f.0  0000:00:1f.2  0000:00:1f.3  0000:00:1f.4  0000:01:00.0  0000:02:00.0  0000:03:00.0

/sys/bus/pci/devices
- sysfs를 통해 PCI 장치의 정보를 제공
- 0000:00:00.0, 0000:00:02.0 등은 PCI 장치를 식별하는 고유한 경로
  - 0000은 PCI 도메인
  - 00은 버스 번호
  - 00.0은 장치 및 함수 번호
- 이 경로에서 각각의 장치 디렉토리는 해당 장치의 상태, 리소스 매핑, 구성 레지스터 등 다양한 정보를 담고 있는 파일들로 구성되어 있음

$ tree /sys/bus/pci/devices/0000:00:00.0
/sys/bus/pci/devices/0000:00:00.0
├── broken_parity_status
├── class
├── config
├── consistent_dma_mask_bits
├── d3cold_allowed
├── device
├── dma_mask_bits
├── enabled
├── irq
├── local_cpulist
├── local_cpus
├── modalias
├── msi_bus
├── numa_node
├── power
│   ├── async
│   ├── autosuspend_delay_ms
│   ├── control
│   ├── runtime_active_kids
│   ├── runtime_active_time
│   ├── runtime_enabled
│   ├── runtime_status
│   ├── runtime_suspended_time
│   └── runtime_usage
├── remove
├── rescan
├── resource
├── subsystem -> ../../../bus/pci
├── subsystem_device
├── subsystem_vendor
├── uevent
└── vendor

config: PCI 구성 정보를 담고 있는 바이너리 파일로, /proc/bus/pci/*에서 제공하는 내용과 동일
vendor, device, subsystem_device, subsystem_vendor, class: 장치의 특정 값을 나타내는 파일들로, 각각의 PCI 장치에 대해 고유한 정보를 제공
irq: 현재 PCI 장치에 할당된 IRQ
resource: 이 장치가 할당받은 메모리 리소스

PCI 장치의 구성 레지스터(Configuration Registers)

모든 PCI 장치는 최소 256바이트의 구성 공간을 가지며, 이 중 처음 64바이트는 표준화되어 있다. 나머지 부분은 장치에 따라 달라짐
필수 레지스터(Required Register)는 모든 PCI 장치에서 반드시 의미 있는 값을 가져야 하며, 선택적 레지스터(Optional Register)는 장치의 기능에 따라 달라짐

구성 레지스터 필드 설명

Vendor ID와 Device ID: 장치 제조사와 장치 고유 ID를 식별
Command Register와 Status Register: 장치 제어와 상태 정보
Base Address Registers: 장치의 메모리 및 I/O 주소를 지정
Interrupt Line와 Interrupt Pin: 장치에 할당된 인터럽트 정보를 포함
Subsystem Vendor ID와 Subsystem Device ID: 서브시스템(예: 특정 제조사의 하드웨어)에 대한 추가 정보를 제공

레지스터의 엔디안 형식

PCI 레지스터는 항상 리틀 엔디안 형식을 사용 (여러 플랫폼에서 사용할 경우 바이트 순서를 주의해야함)
Linux 개발자는 바이트 순서 변환 문제를 해결하기 위해 asm/byteorder.h에 정의된 함수를 사용할 수 있음

레지스터 설명

vendorID: 16비트 레지스터로, 하드웨어 제조사를 식별한다. 예를 들어, Intel의 모든 장치는 0x8086이라는 고유 번호를 가진다. 모든 제조사는 PCI Special Interest Group에 의해 관리되는 전역 레지스트리를 통해 고유 번호를 부여받는다.
deviceID: 제조사가 지정한 16비트 레지스터로, 특정 장치를 식별한다. 이 값은 vendorID와 함께 사용되어 장치의 고유 ID가된다.
class: 16비트 값으로, 장치의 기본 그룹 또는 클래스(예: 네트워크, 통신 등)를 식별한다. 드라이버는 이 값을 사용하여 유사한 기능의 장치들을 식별할 수 있다.

하위 시스템 식별자

subsystem vendorID와 subsystem deviceID: 특정 장치의 세부 구분을 위해 사용한다.
예를 들어, 칩셋이 여러 역할을 할 수 있는 경우 이 필드를 통해 특정 장치로 식별할 수 있다.

pci_device_id 배열을 정의하여, 드라이버가 지원하는 장치 유형을 설정한다.

여기에는 PCI_DEVICE_CLASS 매크로를 사용하여 특정 클래스의 USB 2.0 EHCI 컨트롤러를 처리하는 드라이버 설정이 포함되어 있다.

/* PCI driver selection metadata; PCI hotplugging uses this */
static const struct pci_device_id pci_ids [] = { {
	/* handle any USB 2.0 EHCI controller */
	PCI_DEVICE_CLASS(PCI_CLASS_SERIAL_USB_EHCI, ~0),
	}, {
	PCI_VDEVICE(STMICRO, PCI_DEVICE_ID_STMICRO_USB_HOST),
	},
	{ /* end: all zeroes */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(pci, pci_ids);

struct pci_device_id

struct pci_device_id {
	__u32 vendor, device;         /* Vendor and device ID or PCI_ANY_ID*/
	__u32 subvendor, subdevice;   /* Subsystem ID's or PCI_ANY_ID */
	__u32 class, class_mask;      /* (class,subclass,prog-if) triplet */
	kernel_ulong_t driver_data;   /* Data private to the driver */
};

vendor 및 device:
- 장치의 제조사와 장치 ID를 지정
- 드라이버가 모든 제조사 또는 장치를 처리할 수 있는 경우, PCI_ANY_ID 값을 사용할 수 있음
subvendor 및 subdevice:
- 서브시스템 제조사 및 장치 ID를 지정
- 모든 서브시스템 ID를 처리할 수 있는 경우 PCI_ANY_ID를 사용할 수 있음
class 및 class_mask:
- 드라이버가 지원하는 PCI 클래스 유형을 지정
- 예를 들어, VGA 컨트롤러와 같은 특정 장치 클래스가 PCI 사양에 정의되어 있음
- 모든 서브시스템 ID를 처리할 수 있는 경우 PCI_ANY_ID를 사용할 수 있음
driver_data
- 장치를 매칭하는 데 사용되지 않지만, 드라이버가 다양한 장치를 구분하고자 할 때 사용할 수 있는 정보 저장 용도로 사용

PCI_DEVICE(vendor, device) 매크로

특정 vendor 및 device ID에 맞는 struct pci_device_id를 생성
이 매크로는 subvendor와 subdevice 필드를 PCI_ANY_ID로 설정

PCI_DEVICE_CLASS(device_class, device_class_mask) 매크로

특정 PCI 클래스에 맞는 struct pci_device_id를 생성

pci_device_id

static struct pci_device_id i810_ids[] 배열은 Intel 장치에 대한 여러 pci_device_id 구조체를 정의
마지막 값으로 { 0, }를 설정하여 배열이 끝났음을 표시

static struct pci_device_id i810_ids[] __devinitdata = {
	{ PCI_DEVICE(PCI_VENDOR_ID_INTEL, PCI_DEVICE_ID_INTEL_82810_IG1) },
	{ PCI_DEVICE(PCI_VENDOR_ID_INTEL, PCI_DEVICE_ID_INTEL_82810_IG3) },
	{ PCI_DEVICE(PCI_VENDOR_ID_INTEL, PCI_DEVICE_ID_INTEL_82810E_IG) },
	{ PCI_DEVICE(PCI_VENDOR_ID_INTEL, PCI_DEVICE_ID_INTEL_82815_CGC) },
	{ PCI_DEVICE(PCI_VENDOR_ID_INTEL, PCI_DEVICE_ID_INTEL_82845G_IG) },
	{ 0, },
};

References

https://lwn.net/Kernel/LDD3/

https://blog.naver.com/hsmnim/30022276615
ㅇㄹㅇㄹ

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