本文将基于开源项目RIFFA，分析Linux系统下PCIE设备的内核驱动是如何实现的，为开发Linux PCIE驱动提供一个参考模板，同时也可作为研究PCIE软硬件交互流程的具体实例，加深对PCIE相关知识的理解。

该开源项目的地址为：https://github.com/KastnerRG/riffa

Linux PCIE驱动框架

https://jklincn.com/posts/qemu-edu-driver/

https://www.kernel.org/doc/html/latest/PCI/index.html

https://www.qemu.org/docs/master/specs/edu.html

Linux下用户态与内核态的交互

我们考虑的场景是，数据在用户态准备，然后传递给内核PCIE驱动进行处理，所以我们首先介绍一下用户态和内核态的交互方式。

想要做用户态和内核态的交互，比较常见的做法是使用ioctl系统调用。

这一般要求内核驱动实现一个字符设备并给它注册上ioctl的文件操作回调函数。

以下给出驱动编程模板：

C
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define DEVICE_NAME "myioctl"
#define MY_MAGIC 'x'
#define MY_IOCTL_GET _IOR(MY_MAGIC, 0, int)
#define MY_IOCTL_SET _IOW(MY_MAGIC, 1, int)

static int device_open = 0;
static int kernel_value = 123;

static long my_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    int ret = 0;
    
    switch (cmd) {
    case MY_IOCTL_GET:
        if (copy_to_user((int __user *)arg, &kernel_value, sizeof(int))) {
            ret = -EFAULT;
        }
        break;
        
    case MY_IOCTL_SET:
        if (copy_from_user(&kernel_value, (int __user *)arg, sizeof(int))) {
            ret = -EFAULT;
        }
        break;
        
    default:
        ret = -ENOTTY;
    }
    
    return ret;
}

static struct file_operations fops = {
    .unlocked_ioctl = my_ioctl, // ioctl的回调函数
};

static int __init my_init(void)
{
    register_chrdev(240, DEVICE_NAME, &fops);
    printk(KERN_INFO "My device loaded\n");
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    unregister_chrdev(240, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_INFO "My device unloaded\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

在用户态编程中，可以这样调用ioctl实现与内核驱动的交互：

C
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>

#define MY_MAGIC 'x'
#define MY_IOCTL_GET _IOR(MY_MAGIC, 0, int)
#define MY_IOCTL_SET _IOW(MY_MAGIC, 1, int)

int main()
{
    int fd;
    int value;
    
    fd = open("/dev/myioctl", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    
    // 读取内核值
    if (ioctl(fd, MY_IOCTL_GET, &value) == 0) {
        printf("Current kernel value: %d\n", value);
    }
    
    // 设置新值
    value = 456;
    if (ioctl(fd, MY_IOCTL_SET, &value) == 0) {
        printf("Value set to: %d\n", value);
    }
    
    // 验证新值
    if (ioctl(fd, MY_IOCTL_GET, &value) == 0) {
        printf("New kernel value: %d\n", value);
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

这样，我们就打通了用户态和内核态的交互，此后，可以在用户程序中发送控制命令给内核驱动，随后内核驱动根据控制命令去对硬件做出合适的操作。

若是要在用户态和内核态之间进行大量的数据交换，可以采用mmap的方式，具体细节不在此赘述了，网络上对该技术有很多讨论。