用QEMU研究Linux内核PCI子系统

引言

在计算机系统中，PCI（外围组件互连）总线是一种重要的硬件接口，用于连接各种外部设备与主机系统。Linux内核的PCI子系统负责管理PCI设备的初始化、配置、中断处理等功能。为了更好地领会PCI子系统的工作原理，本文将使用QEMU虚拟机来研究Linux内核的PCI子系统。

QEMU虚拟机介绍

QEMU是一个开源的处理器模拟器及虚拟化器，它可以模拟各种CPU架构和硬件设备。通过使用QEMU，我们可以创建一个虚拟的硬件环境，并在其中运行Linux内核。这样，我们可以方便地研究和调试内核代码。

搭建QEMU虚拟机

1. 安装QEMU

首先，我们需要在本地计算机上安装QEMU。以下是Ubuntu系统的安装命令：

bash

sudo apt-get update

sudo apt-get install qemu qemu-kvm libvirt-daemon libvirt-clients bridge-utils virt-manager

2. 创建虚拟机

使用virt-manager创建一个新的虚拟机。在virt-manager中，选择“文件” -> “新建虚拟机”，然后按照向导完成虚拟机的创建。

3. 配置虚拟机

在虚拟机配置中，我们需要添加一块PCI设备。具体操作如下：

- 选择“硬件”选项卡；

- 点击“添加硬件”按钮；

- 在“添加硬件”对话框中，选择“PCI设备”；

- 选择“网络适配器”或“存储设备”等PCI设备，然后点击“完成”。

编译Linux内核

1. 下载Linux内核源代码

下载Linux内核源代码，解压到本地目录：

bash

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.0.tar.xz

tar -xvf linux-5.4.0.tar.xz

2. 编译内核

进入内核源代码目录，配置内核参数，并编译：

bash

make menuconfig

make

make modules_install

make install

研究PCI子系统

1. 启动虚拟机

启动虚拟机，并登录到系统中。

2. 查看PCI设备

使用`lspci`命令查看虚拟机中的PCI设备：

bash

sudo lspci

你应该能看到我们在虚拟机中添加的PCI设备。

3. 分析内核代码

为了研究PCI子系统，我们需要分析内核代码。以下是PCI设备初始化的关键步骤：

- `pci_scan_bus`函数：遍历PCI总线，查找PCI设备；

- `pci_device_add`函数：为找到的PCI设备创建内核即；

- `pci_alloc_resource`函数：为PCI设备分配资源；

- `pci_set_master`函数：设置PCI设备的总线主设备；

- `pci_request_regions`函数：请求PCI设备的资源。

4. 跟踪PCI设备初始化过程

在内核代码中，我们可以通过添加打印语句或调试信息来跟踪PCI设备初始化过程。以下是一个易懂的示例：

c

static int __init pci_init(void)

{

printk(KERN_INFO "PCI subsystem initialized ");

return 0;

}

在这段代码中，我们添加了一个打印语句，当PCI子系统初始化完成时，它会输出一条信息。

5. 分析中断处理

PCI设备的中断处理是PCI子系统的重要组成部分。在内核中，中断处理通常由以下函数完成：

- `pci_intx_handler`函数：处理PCI中断；

- `pci_dispatch_msi`函数：处理MSI中断；

- `pci_handle_irq`函数：将中断分发到相应的设备。

6. 调试PCI子系统

使用GDB或其他调试工具，我们可以对PCI子系统进行调试。以下是一个使用GDB调试PCI设备的示例：

bash

sudo gdb /boot/vmlinuz-5.4.0

target remote :1234

load /boot/vmlinuz-5.4.0

break pci_init

run

在GDB中，我们可以设置断点、查看变量、单步执行等操作，从而分析PCI设备的初始化过程。

总结

通过使用QEMU虚拟机，我们可以方便地研究Linux内核的PCI子系统。本文介绍了怎样搭建QEMU虚拟机、编译Linux内核、分析内核代码以及调试PCI子系统。期望本文对您了解PCI子系统有所帮助。

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