PCIe と USB ドライバモデル

カバー範囲: PCIe 列挙 (BAR/MMIO/MSI) → pci_driver → USB プロトコルスタック (URB/エンドポイント) → usb_driver → ホットプラグ → 電源管理カーネルバージョン: 2.6 ~ 6.x

PCIe

バス列挙

pci_dev

// include/linux/pci.h
struct pci_dev {
    struct pci_bus  *bus;               // 所属バス
    unsigned int    devfn;              // デバイス + 機能
    unsigned short  vendor, device;     // pci_device_id とのマッチング用
    unsigned short  subsystem_vendor, subsystem_device;
    u32             class;              // デバイスクラス (NVMe, VGA, USB, ...)

    struct resource resource[6];        // BAR 0〜5 (MMIO/IO アドレス範囲)
    unsigned int    irq;                // 割り込み番号 (MSI 割り当て後の新しい番号の場合あり)
    struct pcie_link_state *link_state; // PCIe リンク (gen, width)

    // DMA
    u64             dma_mask;           // アドレス指定可能な範囲
    struct device   dev;                // 埋め込み device（デバイスモデル）
};

pci_driver

struct pci_driver {
    const struct pci_device_id *id_table;  // マッチングテーブル
    int (*probe)(struct pci_dev *, const struct pci_device_id *);
    void (*remove)(struct pci_dev *);
    int (*suspend)(struct pci_dev *, pm_message_t);
    int (*resume)(struct pci_dev *);
    struct device_driver driver;           // 埋め込み driver（PCI バスに登録）
};

// 登録: pci_register_driver(&mydrv)
// バインディング: PCI バス列挙 → vendor:device のマッチ → probe()

MSI/MSI-X

// メッセージベースの割り込みは INTx 線割り込みの代替:
//   MSI: 単一ベクターまたは少数のベクター
//   MSI-X: 最大 2048 個の独立したベクター

// 割り当て:
int nvec = pci_alloc_irq_vectors(pdev, 1, 16, PCI_IRQ_MSIX);
// → 16 個の MSI-X ベクター → pci_irq_vector(pdev, i) で Linux IRQ 番号を取得

// 各ベクターは独立したアフィニティを持つ → 異なる CPU にバインド可能
// NVMe: 各 IO キューに MSI-X を 1 つ割り当て → 割り込みの並列処理

USB

USB プロトコルスタック

// drivers/usb/core/
// 階層構造:
//   USB Core (usbcore): プロトコル実装、URB 管理
//   ホストコントローラドライバ (HCD): xHCI, EHCI, OHCI
//   デバイスドライバ: usb_driver（例: usb-storage, usbhid）

// USB デバイスの記述子階層:
//   デバイス記述子 → 構成記述子 → インターフェース記述子 → エンドポイント記述子
//   1 つの USB デバイス: 1 デバイス、N 構成、M インターフェース、K エンドポイント

// エンドポイントの種類:
//   Control:     セットアップパケット（設定コマンド）
//   Bulk:       大量データ転送（ストレージ、プリンタ）
//   Interrupt:  定期的ポーリング（HID: キーボード/マウス）
//   Isochronous: リアルタイムストリーム（音声/映像、再送なし）

URB（USB リクエストブロック）

// include/linux/usb.h
struct urb {
    struct usb_device   *dev;       // 宛先デバイス
    unsigned int        pipe;       // エンドポイント + 方向のエンコーディング
    void                *transfer_buffer;
    u32                 transfer_buffer_length;
    int                 actual_length;

    usb_complete_t      complete;   // 完了コールバック

    int                 status;     // 完了ステータス (0=OK, -EPROTO, -ETIMEDOUT, ...)
    int                 interval;   // インターラプト/アイソクロナス転送のポーリング間隔
};

usb_driver

struct usb_driver {
    const struct usb_device_id *id_table;  // VID/PID マッチング
    int (*probe)(struct usb_interface *, const struct usb_device_id *);
    void (*disconnect)(struct usb_interface *);
    struct device_driver drvwrap;          // 埋め込み driver（USB バスに登録）
};

重要⁠: probe の対象は usb_device ではなく usb_interface である。1 つの USB デバイスに複数のインターフェースが存在する場合があるため（例: ウェブカメラのビデオインターフェースとオーディオインターフェース）、異なるインターフェースに異なるドライバをバインドできる。

ホットプラグ

参考

ソースコード⁠: drivers/pci/, drivers/usb/core/, include/linux/pci.h, include/linux/usb.h
カーネルドキュメント⁠: Documentation/PCI/, Documentation/driver-api/usb/
LWN: 「The PCI subsystem」、「USB in the Linux kernel」

キーワード: PCIe, BAR, MSI-X, pci_driver, USB, URB, endpoint, usb_driver, hotplug, udev