在Linux系统中,PCI（Peripheral Component Interconnect）设备是最常见的硬件设备之一，如显卡、网卡、磁盘控制器等，要对PCI设备进行读写操作，需要理解Linux内核对PCI设备的管理机制，包括设备发现、资源分配、地址映射等核心步骤，本文将详细说明Linux环境下读写PCI设备的方法、工具及驱动开发实践。
Linux中PCI设备的基础表示
Linux内核通过PCI子系统管理所有PCI设备,每个PCI设备在内核中由pci_dev结构体表示，其唯一标识符为“总线号:设备号:功能号”（如0000:00:1f.6），用户可通过/sys文件系统查看PCI设备信息，
/sys/bus/pci/devices/：列出所有PCI设备，每个设备目录包含vendor（厂商ID）、device（设备ID）、resource（资源信息）等文件。/sys/bus/pci/drivers/：显示已加载的PCI驱动程序。
命令行工具lspci（需安装pciutils包）是查看PCI设备的常用工具，例如lspci -v可显示设备的详细信息（包括驱动、资源占用等），lspci -nn可显示厂商和设备ID（格式为vendor:device，如8086:1528）。
PCI设备的配置空间读写
每个PCI设备都有256字节的配置空间,用于存储设备信息（如厂商ID、设备ID、BAR寄存器等），Linux提供了多种方式访问配置空间：
用户空间工具
setpci：用于读写配置空间寄存器，读取设备0000:00:1f.6的 Vendor ID：setpci -s 0000:00:1f.6 00.w # 00.w 表示读取16位Vendor ID（0x00地址）
修改配置寄存器时需谨慎,例如禁用设备：
setpci -s 0000:00:1f.6 04.w=0x0000 # 将命令寄存器（0x04地址）置0
内核空间访问
在驱动开发中,可通过pci_read_config_word()、pci_write_config_dword()等函数读写配置空间，
u16 vendor_id; pci_read_config_word(dev, PCI_VENDOR_ID, &vendor_id); // 读取Vendor ID u32 bar_val; pci_write_config_dword(dev, PCI_BASE_ADDRESS_0, bar_val); // 写入BAR0
PCI设备的内存与I/O端口读写
PCI设备通过两种方式与CPU交互：内存映射I/O（MMIO）和端口I/O（PIO），现代PCI设备主要使用MMIO，传统设备（如ISA兼容设备）可能使用PIO。
内存映射I/O（MMIO）
MMIO将设备的寄存器或缓冲区映射到物理内存地址,通过读写内存地址访问设备，操作步骤如下：
（1）获取设备资源信息
通过lspci -v可查看设备的内存区域（如“Memory at f0000000 (32-bit, non-prefetchable)”），其中f0000000为基地址，size为区域大小，内核中可通过pci_resource_start()和pci_resource_len()获取基地址和长度。
（2）映射内存到用户空间
用户空间可通过/dev/mem设备文件将物理内存映射到进程地址空间，
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
int fd = open("/dev/mem", O_RDWR); // 打开/dev/mem
if (fd < 0) { /* 错误处理 */ }
// 假设设备基地址为0xf0000000，大小为0x1000
void *virt_addr = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0xf0000000);
if (virt_addr == MAP_FAILED) { /* 错误处理 */ }
// 读写设备寄存器（如32位寄存器）
volatile uint32_t *reg = (volatile uint32_t *)virt_addr;
*reg = 0x12345678; // 写入
uint32_t val = *reg; // 读取
munmap(virt_addr, 0x1000);
close(fd);
注意：直接操作/dev/mem需要root权限，且可能存在安全风险（如误改系统内存），推荐通过内核驱动进行访问。
（3）内核空间映射
在驱动中,可通过request_mem_region()申请内存资源，再用ioremap()映射到虚拟地址：
void __iomem *virt_addr;
resource_size_t start = pci_resource_start(dev, 0); // BAR0基地址
resource_size_t len = pci_resource_len(dev, 0);
if (!request_mem_region(start, len, "my_pci_driver")) {
/* 申请失败 */
return -EBUSY;
}
virt_addr = ioremap(start, len);
if (!virt_addr) {
release_mem_region(start, len);
return -ENOMEM;
}
// 读写寄存器
writel(0x12345678, virt_addr); // 写32位
uint32_t val = readl(virt_addr); // 读32位
iounmap(virt_addr);
release_mem_region(start, len);
端口I/O（PIO）
PIO通过特定的I/O端口地址访问设备，使用inb、outb等指令（x86架构），用户空间需使用iopl()或ioperm()获取权限，
#include <sys/io.h>
if (iopl(3) != 0) { /* 获取最高I/O权限 */ } // 需root权限
// 读写端口0x3f8（串口COM1）
outb(0x41, 0x3f8); // 写入字节0x41到端口0x3f8
uint8_t val = inb(0x3f8); // 读取端口0x3f8的值
iopl(0); // 释放权限
注意：PIO在现代x86系统中已较少使用，且64位架构下用户空间直接访问I/O端口受限，通常需通过内核驱动。
内存映射与I/O端口对比
| 特性 | 内存映射I/O（MMIO） | 端口I/O（PIO） |
|---|---|---|
| 访问对象 | 物理内存地址 | I/O端口地址（0-0xFFFF） |
| 权限要求 | /dev/mem需root，内核需申请资源 |
需iopl()/ioperm()权限 |
| 访问速度 | 较快（通过内存总线） | 较慢（专用I/O指令） |
| 适用场景 | 现代PCI设备（显卡、网卡等） | 传统设备（串口、并口等） |
| 用户空间函数 | mmap() + 指针读写 |
inb()/outb()（需iopl） |
驱动开发中的关键步骤
若需长期稳定访问PCI设备,建议编写内核驱动，核心步骤如下：
- 注册PCI驱动：定义
pci_driver结构体，实现probe()和remove()回调函数。 - 设备匹配：在
probe()中通过pci_match_device()匹配设备。 - 启用设备：调用
pci_enable_device()设置设备状态。 - 申请资源：
request_mem_region()（MMIO）或request_region()（PIO）。 - 映射内存：
ioremap()将物理地址映射为内核虚拟地址。 - 读写操作：使用
readl()/writel()（MMIO）或inb()/outb()（PIO）访问设备。 - 释放资源：在
remove()中调用iounmap()、release_mem_region()等。
注意事项
- 权限与安全：直接操作
/dev/mem可能导致系统崩溃，生产环境建议通过驱动访问。 - 资源冲突：通过
/proc/iomem检查内存区域是否被占用，避免冲突。 - 大小端转换：若设备与CPU字节序不同（如网络设备），需使用
cpu_to_le32()等函数转换数据。 - DMA缓冲区：对于需要高速数据传输的设备（如网卡），需使用
dma_alloc_coherent()分配DMA缓冲区。
FAQs
Q1：普通用户如何安全读写PCI设备，而不需要root权限？
A：可通过udev规则创建设备节点，并设置用户权限，为特定PCI设备（如Vendor ID=8086, Device ID=1528）创建/dev/my_pci节点：
- 创建
/etc/udev/rules.d/99-my_pci.rules为：SUBSYSTEM=="pci", ATTR{vendor}=="0x8086", ATTR{device}=="0x1528", GROUP="users", MODE="0664" - 执行
udevadm control --reload-rules && udevadm trigger使规则生效。 - 在用户空间通过
/dev/mem或自定义驱动访问设备（需确保驱动支持非特权访问）。
Q2：驱动开发中，调用request_mem_region()失败的原因及解决方法？
A：常见原因及解决方案如下：
- 资源已被占用：通过
/proc/iomem查看内存区域是否被其他驱动使用，检查设备是否有多个功能或驱动冲突。 - 基地址错误：确认
pci_resource_start()获取的BAR寄存器值正确（如BAR0对应resource[0]），避免使用无效地址。 - 权限不足：内核模块需以root权限加载，或检查
MODULE_LICENSE()是否声明（如MODULE_LICENSE("GPL")）。 - 设备未启用：调用
pci_enable_device()后再申请资源，确保设备处于正常状态。
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