P4-03 · 从 0 写一个最小 PCIe 内核驱动：24 行 probe 一切，然后逐行升级

对应路线图：Phase 4 (Day 120-140) ｜ 内核 v6.6 ｜ 实验代码：code/dpu_dev/01_pci/，引用均标 文件:行号
上一篇：P4-02 MSI-X ｜ 下一篇：P5-01 DMA/IOMMU

一句话定位

PCIe 驱动的最小骨架不是操作寄存器，而是参与内核的"设备-驱动匹配协议"：填一张 pci_device_id 表 + 一个 probe 回调，driver core 就会在设备出现时替你调它。code/dpu_dev/01_pci/pci_scan.c 全文件只有 24 行，却能 probe 整条总线上的所有设备——这是每个网卡驱动（ixgbe、mlx5）的同款起点。

真实源码精读

① 全文件带读：code/dpu_dev/01_pci/pci_scan.c:1-24

#include <linux/module.h>
  #include <linux/pci.h>

  static int probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *id)
  {
      printk("pci_scan: %04x:%04x (rev %02x) BAR0=%llx IRQ=%d\n",
             pdev->vendor, pdev->device, pdev->revision,
             pci_resource_start(pdev, 0), pdev->irq);
      return 0;
  }

  static struct pci_device_id ids[] = {
      { PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, 0 },
      { 0, }
  };
  MODULE_DEVICE_TABLE(pci, ids);

  static struct pci_driver drv = {
      .name = "pci_scan",
      .id_table = ids,
      .probe = probe,
  };
  module_pci_driver(drv);
  MODULE_LICENSE("GPL");

逐行拆：

• probe 回调（:4-10）：签名 (struct pci_dev *, const struct pci_device_id *) 是 PCI 子系统的硬约定。这里读的 vendor/device/revision 正是 P4-01 里 pci_scan_device 从 Config Space 填进 pci_dev 的（probe.c:2507-2508）；pci_resource_start(pdev, 0) 是 BAR0 物理地址（宏定义 pci.h:2107）；pdev->irq 是内核分配的 IRQ 号（pci.h:420）。返回 0 = "这个设备我接管了"。
• ids 表（:12-16）：全 PCI_ANY_ID 表示匹配所有设备——所以本模块会 probe 系统里每一个 PCI 设备，只能在学习机上玩。真正的驱动用 PCI_DEVICE(0x8086, 0x10fb) 这类精确匹配（宏在 pci.h:962）。表项结构在 mod_devicetable.h:44-50：vendor/device/subvendor/subdevice/class/class_mask 六维过滤 + driver_data 私有数据。
• module_pci_driver(drv)（:23）：展开成 module_driver(drv, pci_register_driver, pci_unregister_driver)（pci.h:1598-1599），自动生成 init/exit，替换手写 module_init/module_exit 的样板代码。

② 匹配与 probe 触发：struct pci_driver 与 driver core（pci.h:928-943）

struct pci_driver {
    struct list_head    node;
    const char        *name;
    const struct pci_device_id *id_table;    /* Must be non-NULL for probe to be called */
    int  (*probe)(struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);    /* New device inserted */
    void (*remove)(struct pci_dev *dev);    /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */
    // ...省略 suspend/resume/shutdown/sriov/err_handler ...
    struct device_driver    driver;
    // ...
};

id_table 注释说得很直白：没有它 probe 就不会被调用。注册入口 __pci_register_driver（pci-driver.c:1451-1467）只做一件事：填 drv->driver.bus = &pci_bus_type 然后 driver_register()——后面就是通用设备模型的 match → probe 机器了。设备侧由 pci_device_probe（pci-driver.c:444-467）接棒：

static int pci_device_probe(struct device *dev)
{
    int error;
    struct pci_dev *pci_dev = to_pci_dev(dev);
    struct pci_driver *drv = to_pci_driver(dev->driver);
    // ...
    pci_assign_irq(pci_dev);

    error = pcibios_alloc_irq(pci_dev);
    // ...
    pci_dev_get(pci_dev);
    error = __pci_device_probe(drv, pci_dev);
    // ...
}

注意顺序：先 pci_assign_irq 分配 IRQ，再进驱动的 probe——所以 probe 里 pdev->irq 一定已经有值。

③ remove 与卸载：内核兜底（pci-driver.c:469-510 节选）

static void pci_device_remove(struct device *dev)
{
    struct pci_dev *pci_dev = to_pci_dev(dev);
    struct pci_driver *drv = pci_dev->driver;

    if (drv->remove) {
        // ... runtime PM barrier ...
        drv->remove(pci_dev);
        // ...
    }
    pcibios_free_irq(pci_dev);
    pci_dev->driver = NULL;
    // ...
}

drv->remove 是驱动自己的清理窗口（放走 IRQ、unmap、还资源）；窗口之外的事内核兜底：pcibios_free_irq 收尾 IRQ（:486）、解绑 driver = NULL（:487）。rmmod 会经 pci_unregister_driver（pci-driver.c:1480）对每个被该驱动接管的设备各调一次 remove。

④ 升级路线：把"只读"变成"拥有"

pci_scan.c 只读不占，等于借设备看了一眼。要真正"拥有"一个 BAR（比如网卡的 MMIO 寄存器区），probe 里按序做四件事（API 均已核实存在）：

remove 里严格逆序：free_irq（interrupt.h:196）→ iounmap → pci_release_regions（pci.c:4254）→ pci_disable_device（pci.c:2379）。

🐧 内核机制对照：驱动协议 vs 用户态"野路子"

DPDK 不是"没有驱动协议"，而是把协议放进了用户态：内核里那个 vfio-pci 驱动替它完成了 probe/接管，用户态只负责 mmap 和轮询。

面试 3 问

1. probe 什么时候被调用？ → 设备注册或驱动注册后 driver core 完成 match 即调；前提是 id_table 非 NULL（pci.h:931 注释）；入口 pci_device_probe（pci-driver.c:444）先 pci_assign_irq 再调驱动的 probe（pci-driver.c:453-460）。
2. PCI_ANY_ID 表项的风险？ → 匹配所有设备（pci_scan.c:12-13），probe 返回 0 会接管每一个设备（pci_scan.c:9），真实驱动必须用 PCI_DEVICE 精确匹配（pci.h:962-964）。
3. remove 里不释放资源会怎样？ → IRQ 方面内核会兜底 pcibios_free_irq（pci-driver.c:486），但 ioremap 的地址和 request_regions 占用的 resource 泄漏，再加载驱动会 EBUSY——所以 remove 必须逆序归还（见上表）。

🔧 动手实验

cd code/dpu_dev/01_pci
make                                  # Makefile:1-2，obj-m += pci_scan.o
sudo insmod pci_scan.ko
dmesg | tail -30                      # 每个 PCI 设备一行：vendor:device rev BAR0 IRQ
sudo rmmod pci_scan

升级练习（在实验机上，不要在主力机上）：给 probe 加 pci_enable_device + pci_request_regions，验证 /proc/iomem 里出现 pci_scan 名字段；再试 pci_ioremap_bar 读 4 字节网卡寄存器与 lspci -xxxx 对拍。数据落点 perf-data/P4/03-pci-scan-dmesg.txt（dmesg 原文 + iomem 段 + 升级版对比）。

下一篇：P5-01 · DMA/IOVA/IOMMU：设备怎么看到内存