网卡驱动注册到PCI总线这一过程的分析（1）

大家好，近在看网络部分的代码，目前看到了网卡的初始化部分。书上讲到的内容主要是网卡驱动程序对网卡自身的初始化部分，即网卡驱动的probe函数是如何执行的，而很少讲到网卡是如何注册到系统中去的这一部分。
现在的网卡大部分都是连接到PCI总线上的。因此，网卡驱动是如何连接到PCI总线，又是如何与网卡设备联系起来，网卡在注册的后又是如何调用到该网卡的probe函数的，这一个过程将在后面的文章中进行描述。整个文章分成两个部分，部分是讲解总线、设备以及驱动三者的联系，为第二部分具体讲解PCI总线、网卡设备和驱动做一点铺垫。
由于我在这方面也是初学，之所以想总结出来是想到在总结的过程中对自己的学习也是一个梳理的过程。所以有什么地方写得不好的，还请各位多多指正，非常感谢！也希望能在这里结识更多的朋友。

在总结的过程中参考了下面一些资料，在此表示感谢：
[1] <Understanding Linux Network Internals>
[2] <Linux那些事儿之我是U盘>
[3] <Essential Linux Device Drivers>
[4] <Linux Device Driver> 3rd Edition.


1. 总线、设备和驱动
1.1 简单介绍
Linux设备模型中三个很重要的概念就是总线、设备和驱动，即bus，device和driver。它们分别对应的数据结构分别为struct bus_type，struct device和struct device_driver。
总线是处理器与一个或多个设备之间的通道，在设备模型中，所有的设备都通过总线相连。在底层，Linux系统中的每一个设备都用device结构的一个实例来表示。而驱动则是使总线上的设备能够完成它应该完成的功能。
在系统中有多种总线，如PCI总线、SCSI总线等。系统中的多个设备和驱动是通过总线让它们联系起来的。在bus_type中两个很重要的成员就是struct kset drivers和struct kset devices。它分别代表了连接在这个总线上的两个链，一个是设备链表，另一个则是设备驱动链表。也就是说，通过一个总线描述符，就可以找到挂载到这条总线上的设备，以及支持该总线的不同的设备驱动程序。
1.2 总线、设备与驱动的绑定
在系统启动时，它会对每种类型的总线创建一个描述符，并将使用该总线的设备链接到该总线描述符的devices链上来。也即是说在系统初始化时，它会扫描连接了哪些设备，并且为每个设备建立一个struce device变量，然后将该变量链接到这个设备所连接的总线的描述符上去。另一方面，每当加载了一个设备驱动，则系统也会准备一个struct device_driver结构的变量，然后再将这个变量也链接到它所在总线的描述符的drivers链上去。
对于设备来说，在结构体struct device中有两个重要的成员，一个是struct bus_type *bus，另一个是struct device_driver *driver。bus成员就表示该设备是链接到哪一个总线上的，而driver成员就表示当前设备是由哪个驱动程序所驱动的。对于驱动程序来说，在结构体struct device_driver中也有两个成员，struct bus_type *bus和struct list_head devices，这里的bus成员也是指向这个驱动是链接到哪个总线上的，而devices这个链表则是表示当前这个驱动程序可以去进行驱动的那些设备。一个驱动程序可以支持一个或多个设备，而一个设备则只会绑定给一个驱动程序。
对于device与device_driver之间建立联系的方式，主要有两种方式。种，在计算机启动的时候，总线开始扫描连接在其上的设备，为每个设备建立一个struct device变量并链接到该总线的devices链上，然后开始初始化不同的驱动程序，驱动程序到它所在的总线的devices链上去遍历每一个还没有被绑定给某个驱动的设备，然后再查看是否能够支持这种设备，如果它能够支持这种设备，则将这个设备与这个驱动联系起来。即，将这个设备的device变量加到驱动的devices链上，同时让struct device中的device_driver指向当前这个驱动。第二种则是热插拔。也即是在系统运行时插入了设备，此时内核会去查找在该bus链上注册了的device_driver，然后再将设备与驱动联系起来。设备与驱动根据什么规则联系起来，它们是如何被联系起来的代码我们将在后面的章节进行详细的描述。
1.3 PCI总线
PCI是一种在CPU与I/O设备之间进行高速数据传输的一种总线。有很多设备都是使用PCI总线的，网卡就是其中之一。我们在前面讲了那些总线、设备与驱动方面的知识，原因就在于网卡是连接到PCI总线上，所以PCI总线、网卡设备以及网卡驱动就成了我们研究网卡的一个很重要的线索，尤其是在网络的链路层部分。下图显示了在一个系统中PCI设备的一个框图：

PCI子系统声明了一个bus_type结构，为pci_bus_type。它就是PCI总线的描述符。在这个变量上，链接了PCI设备以及支持PCI设备的驱动程序。
1.4 PCI设备与驱动
PCI设备通常由一组参数地标识，它们被vendorID，deviceID和class nodes所标识，即设备厂商，型号等，这些参数保存在pci_device_id结构中。每个PCI设备都会被分配一个pci_dev变量，内核就用这个数据结构来表示一个PCI设备。
所有的PCI驱动程序都必须定义一个pci_driver结构变量，在该变量中包含了这个PCI驱动程序所提供的不同功能的函数，同时，在这个结构中也包含了一个device_driver结构，这个结构定义了PCI子系统与PCI设备之间的接口。在注册PCI驱动程序时，这个结构将被初始化，同时这个pci_driver变量会被链接到pci_bus_type中的驱动链上去。
在pci_driver中有一个成员struct pci_device_id *id_table，它列出了这个设备驱动程序所能够处理的所有PCI设备的ID值。
1.5 PCI设备与驱动的绑定过程
下面描述一下对于PCI设备与驱动绑定的过程。首先在系统启动的时候，PCI总线会去扫描连接到这个总线上的设备，同时为每一个设备建立一个pci_dev结构，在这个结构中有一个device成员，并将这些pci_dev结构链接到PCI总线描述符上的devices链。如下图所示：

第二步是当PCI驱动被加载时，pci_driver结构体将被初始化，这一过程在函数pci_register_driver中：
drv->driver.bus = &pci_bus_type;
drv->driver.probe = pci_device_probe;
后会调用driver_register(&drv->driver)将这个PCI驱动挂载到总线描述符的驱动链上。同时在注册的过程中，会根据pci_driver中的id_table中的ID值去查看该驱动支持哪些设备，将这些设备挂载到pci_driver中的devices链中来。如下图所示：

对于不同的设备，可能驱动程序也不一样，因此，对于上图中的Dev3，可能就需要另外一个驱动程序来对其进行驱动。所以当加载了Dev3的驱动程序时，其示意图如下图所示：

上面这三个示意图就描述了总线、设备以及驱动在系统中是如何进行相互联系的。前面对于驱动注册这些函数的描述较为简单，因为网卡是一个PCI设备，因此在后面具体地讲到网卡注册时再来详细地讲解和PCI相关的注册等函数。
1.6 小结
本部分主要讲解了总线、设备以及驱动方面的一些知识，由于网卡是一个PCI设备，因此具体地讲到了一点PCI总线、PCI设备及相应的PCI驱动方面的知识，但是由于PCI本身就是很大的一个子系统，因此这里不可能对其进行详细地讲解，在后面对网卡的分析中，将对网卡中涉及到的和PCI相关的部分进行讲解。