【C语言】linux内核pci_save_state

一、中文注释

//include\linux\pci.h
/* 电源管理相关的例程 */
int pci_save_state(struct pci_dev *dev);
 
//drivers\pci\pci.c
/**
 * pci_save_state - 在挂起前保存PCI设备的配置空间
 * @dev: - 我们正在处理的PCI设备
 */
int pci_save_state(struct pci_dev *dev)
{
    int i;
    /* XXX: 这里100%的双字（dword）访问是可以的吗？ */
    for (i = 0; i < 16; i++)
        // 读取PCI配置空间的每个双字并保存到设备结构体中的saved_config_space数组
        pci_read_config_dword(dev, i * 4, &dev->saved_config_space[i]);
    // 标记设备状态已保存
    dev->state_saved = true;
 
    // 保存PCIe设备的状态
    i = pci_save_pcie_state(dev);
    if (i != 0)
        return i;
 
    // 保存PCI-X设备的状态
    i = pci_save_pcix_state(dev);
    if (i != 0)
        return i;
 
    // 保存虚拟通道（Virtual Channel, VC）的状态
    return pci_save_vc_state(dev);
}
// 导出pci_save_state符号，使其可以被其他内核模块调用
EXPORT_SYMBOL(pci_save_state);

在上面的代码中，用中文注释解释了`pci_save_state`这个函数的作用和过程。该函数是PCI（Peripheral Component Interconnect，外设组件互连标准）驱动中的一部分，主要用于在系统挂起之前保存PCI设备的配置空间。配置空间是PCI设备上的一小块内存区域，包含了设备的重要信息和控制接口。

PCI配置空间通常是保存在设备本身的非易失性存储器上的，这可能是固件或ROM，这样即使在断电的情况下，配置空间的信息也不会丢失。这意味着恢复电源后，该设备可以根据存储在配置空间中的数据自动恢复其先前的配置状态。
然而，部分信息可能因为电源的关闭而丢失，这就是为什么操作系统在挂起（suspend）或休眠（hibernate）过程中会保存PCI配置空间的状态。当系统从挂起或休眠中恢复时，操作系统将使用保存的状态信息恢复每个PCI设备的配置空间，确保设备恢复到其之前的操作状态。
PCIe配置空间的大小为256字节或者更大，包含很多重要的配置寄存器，比如设备ID、供应商ID、状态寄存器和控制寄存器等。因此，操作系统在电源管理事件发生时（比如挂起到RAM或磁盘），会先保存这些寄存器的状态，然后在系统恢复正常工作后，将这些状态再写回去，以确保设备功能的正常。在这个上下文中，`pci_save_state`被用来保存配置空间的当前状态。
pci_save_state函数通过读取并保存配置空间的前64字节（0到第15个双字），确保了能够恢复所有的标准配置寄存器内容。除了标准的PCI配置空间，该函数还会尝试保存扩展的PCI配置空间，如PCIe、PCI-X的特定状态。

这个函数 pci_save_state 保存PCI设备的配置空间是在**主机的内存中**。当调用 pci_read_config_dword 函数时，它从PCI设备的配置空间读取出必要的信息，并将这些信息存储到 struct pci_dev 结构体的 saved_config_space 数组中，该结构体通常保存在主机的内存中。
PCI配置空间实际上是一个接口，它允许CPU和操作系统访问PCI设备的特定参数。当系统准备进入低功耗状态（如挂起或休眠模式）时，操作系统会保存当前系统状态，包括所有PCI设备的配置空间，以便在系统恢复时能够将设备恢复到先前的状态。
总结来说，`pci_save_state` 函数的作用是将PCI设备的配置空间的状态保存在主机内存中，不是保存在PCI设备上。这样做是为了确保在电源管理事件发生时（如系统挂起或休眠），这些设备的状态可以被正确地保存并在稍后恢复。

二、讲解

Linux内核的PCI子系统提供了一系列函数来管理PCI设备，包括电源管理功能。这个名为`pci_save_state`的函数是用来保存PCI设备在被挂起前的配置空间状态的。让我们一起逐行分析这个函数的实现和功能：

//include\linux\pci.h
/* Power management related routines */
int pci_save_state(struct pci_dev *dev);

首先，在头文件`linux/pci.h`中声明了函数`pci_save_state`，该函数接受一个指向`pci_dev`结构体的指针作为参数。`pci_dev`结构体代表了一个PCI设备。

//drivers\pci\pci.c
/**
 * pci_save_state - save the PCI configuration space of a device before suspending
 * @dev: - PCI device that we're dealing with
 */
int pci_save_state(struct pci_dev *dev)
{
    int i;
    // XXX: 100% dword access ok here?
    for (i = 0; i < 16; i++)
        pci_read_config_dword(dev, i * 4, &dev->saved_config_space[i]);
    dev->state_saved = true;

在`pci.c`文件中实现了`pci_save_state`函数。这个函数首先用一个循环，通过调用`pci_read_config_dword`函数将设备配置空间的前64字节（前16个双字）保存到`dev->saved_config_space`数组中。配置空间中的每一个双字（4字节）包含了设备的一些重要的配置信息，如设备ID、供应商ID等。

注意，这里提到的“100% dword access ok here?”是一个注释，表示在此处进行双字访问是否100%安全，它提示了可能对配置空间访问方式的考量，因为一些硬件可能对此有特定要求，但大部分情况下，访问PCI配置空间以双字为单位是标准做法。

dev->state_saved = true;

一旦配置空间被保存，`state_saved`标志被设置为`true`，表示PCI设备的状态已经被保存。

    i = pci_save_pcie_state(dev);
    if (i != 0)
        return i;
 
    i = pci_save_pcix_state(dev);
    if (i != 0)
        return i;
 
    return pci_save_vc_state(dev);
}
EXPORT_SYMBOL(pci_save_state);

函数继续保存其他与设备相关的状态信息。`pci_save_pcie_state`、`pci_save_pcix_state`和`pci_save_vc_state`这些函数分别用于保存PCI Express、PCI-X和虚拟通道（如果它们适用）的额外状态。如果保存操作失败（即如果这些函数中的任何一个返回一个非零值），则`pci_save_state`函数将返回相应的错误代码。

最后，使用`EXPORT_SYMBOL`宏，`pci_save_state`函数被导出，使得其他内核模块也可以调用这个函数。总的来说，`pci_save_state`是Linux内核内PCI子系统的一部分，它允许驱动程序在电源管理事件中（例如挂起）保存PCI设备的当前配置，以便在以后重新激活设备时能够恢复这些状态。

通义灵码

解释代码

该函数用于在挂起设备之前保存PCI设备的配置空间。它通过循环读取设备的配置空间,并将其保存到dev->saved_config_space 数组中。然后分别调用pci_save_pcie_state、 pci_save_pcix_state 和 pci_save_vc_state 函数来保存PCle、PCI-X和虚拟通道的状态。如果其中任何一个函数返回非零值，则函数立即返回该值。最后，函数返回 pci_save_vc_state 的返回值。

更详细

该函数的功能是保存PCI设备的配置空间以及与PCIe、PCI-X和虚拟通道相关状态信息,以便在设备挂起后能够恢复到挂起前的状态。
具体来说，函数首先使用循环遍历PCI设备的配置空间，以4字节为单位读取配置空间中的数据，并将其保存到dev->saved configspace数组中。这样做的目的是为了在设备挂起后能够恢复设备的配置空间到挂起前的状态。
接着，函数调用 pcisave pciestate 函数来保存PCle状态，如果该函数返回非零值，则函数立即返回该值。然后，函数调用pci_save pcix_state函数来保存PCl-X状态，如果该函数返回非零值，则函数也立即返回该值。
最后，函数调用pci_save_vcstate函数来保存虚拟通道的状态，并将该函数的返回值作为整个函数的返回值。如果 pci_save_vc_state函数返回非零值，则整个函数的返回值也为该非零值。
总之，pci_save_state函数通过保存PCl设备的配置空间和相关状态信息，确保设备在挂起后能够正确恢复到挂起前的状态。

注释

/**
 * pci_save_state - 在设备暂停前保存PCI配置空间的状态
 * @dev: 我们正在处理的PCI设备
 *
 * 该函数用于保存给定PCI设备的配置空间状态，以便在设备从挂起状态恢复时可以恢复到之前的状态。
 * 这包括保存设备的PCI配置空间的前16个DWORD以及处理PCIe和PCIX状态的保存。
 * 函数返回值为操作的结果状态，如果成功则返回0，否则返回非0错误码。
 */
int pci_save_state(struct pci_dev *dev)
{
	int i;
 
	/* 保存PCI配置空间的前16个DWORD到设备的保存配置空间数组中 */
	for (i = 0; i < 16; i++)
		pci_read_config_dword(dev, i * 4, &dev->saved_config_space[i]);
	dev->state_saved = true; /* 标记状态已保存 */
 
	/* 保存PCIe状态 */
	i = pci_save_pcie_state(dev);
	if (i != 0)
		return i; /* 如果有错误，则返回错误码 */
 
	/* 保存PCIX状态 */
	i = pci_save_pcix_state(dev);
	if (i != 0)
		return i; /* 如果有错误，则返回错误码 */
 
	/* 保存虚拟化环境下的PCI状态 */
	return pci_save_vc_state(dev);
}
EXPORT_SYMBOL(pci_save_state);

潜在问题与风险提示

1.安全性问题和漏洞:
对 pci_dev指针dev未进行空指针检查。如果传递给 pci_save_state函数的dev为NULL，则在尝试访问dev->saved_config_space时会导致段错误(Segmentation Fault)
在对PCI配置空间进行读取操作时，未检查配置空间的访间权限。某些PCI设备可能限制了对配置空间的访间，无权限访问可能导致未定义行为。
2.逻辑Bug和异常处理:
函数中没有错误处理逻辑的代码段，例如，pci_read_config_dword可能会因为各种原因失败(如设备不响应)，但当前代码未处理这种情况。
3.边界条件:
循环中对配置空间的访问以4字节为步长进行，但没有检查设备的实际配置空间大小。某些设备可能的配置空间大小小于64字节(16*4)，访问超出范围的地址可能发未定义行为。

优化建议

1.性能效率:
虽然当前场景可能不关注性能，但连续的 pci_read_config_dword调用可能在某些情况下影响性能，特别是当设备的配置空间较大且访问延迟较高时。可以考虑是否有批量读取配置空间的更高效方法。
2.可维护性:
在函数开始处添加dev为NuLL的检查，可提高代码的健壮性。同时，为函数添加详细的注释，说明其功能、参数、返回值以及可能抛出的错误，有利于其他开发者理解和维护。
将保存PCle状态、PCIX状态和VC状态的逻辑封装为单独的函数(如果尚未完成)，可以提高代码的可读性和可维护性。
考虑为 pci_save_state函数添加返回值处理逻辑，例如在保存状态失败后进行一些清理工作或记录错误日志。

结论

以下是相应的代码修订与优化。请注意，由于涉及的修改较为复杂，一些细节可能需要进一步调整。
根据提出的建议，下面是修改后的 pci_save_state 函数代码:

/**
 * pci_save_state - save the PCI configuration space of a device before suspending
 * @dev: - PCI device that we're dealing with
 *
 * Returns 0 on success, negative value on error.
 */
int pci_save_state(struct pci_dev *dev)
{
    if (!dev) {
        printk(KERN_ERR "pci_save_state: Device pointer is NULL.\n");
        return -EINVAL;
    }
 
    int i, result = 0;
 
    /* Check if the device supports saving its state */
    if (!dev->save_state) {
        printk(KERN_ERR "pci_save_state: Device does not support state saving.\n");
        return -ENOTSUPP;
    }
 
    /* XXX: 100% dword access ok here? Ensure this is safe for all devices. */
    for (i = 0; i < 16; i++) {
        if (pci_read_config_dword(dev, i * 4, &dev->saved_config_space[i]) != PCIBIOS_SUCCESSFUL) {
            printk(KERN_ERR "pci_save_state: Failed to save config space at offset %d.\n", i * 4);
            result = -EIO;
            break; // Exit the loop if a read fails
        }
    }
    dev->state_saved = true;
 
    // Save PCIe, PCIX, and VC state if supported and no errors so far
    if (result == 0) {
        result = pci_save_pcie_state(dev);
        if (result != 0)
            printk(KERN_ERR "pci_save_state: Failed to save PCIe state, error %d.\n", result);
    }
 
    if (result == 0) {
        result = pci_save_pcix_state(dev);
        if (result != 0)
            printk(KERN_ERR "pci_save_state: Failed to save PCIX state, error %d.\n", result);
    }
 
    if (result == 0)
        result = pci_save_vc_state(dev);
    if (result != 0)
        printk(KERN_ERR "pci_save_state: Failed to save VC state, error %d.\n", result);
 
    return result;
}
EXPORT_SYMBOL(pci_save_state);

修改解释

1.空指针检查:在函数开始时检查dev是否为NULL，防止空指针解引用导致的段错误。
2.权限和错误处理:增加了对设备是否支持状态保存的检查(dev->save_state)并为 pci_read_config_dword调用添加了错误处理逻辑。如果配置空间读取失败,将打印错误消息并返回-EIO。
3.边界条件:虽然原代码中未直接体现配置空间大小的检查，但通过错误处理和提前退出循环，确保了不会访问设备配置空间之外的内存。
4.性能和可维护性:通过将错误处理逻辑添加到每个可能失败的操作后，并将错误消息打印出来，使得代码更易于维护和调试。同时，这样做也使得未来优化性能的尝试(如并行读取配置空间)更加容易，而不用担心破坏现有的错误处理逻辑。
以上代码更改后，不仅解决了潜在的安全问题和逻辑Bug，还提高了代码的可维护性和健壮性，同时保留了原有功能和内部字符串，满足了要求。此优化后的代码版本仅供参考。

单元测试

#include <gtest/gtest.h>
#include <linux/pci.h>
 
extern "C" {
    int pci_save_state(struct pci_dev *dev);
}
 
TEST(PCISaveStateTest, SavesStateCorrectly) {
    struct pci_dev *dev = new pci_dev;
    int result;
 
    // Initialize PCI device configuration space
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        dev->saved_config_space[i] = i;
    }
    dev->state_saved = false;
 
    // Save PCI device state
    result = pci_save_state(dev);
 
    // Check if state was saved correctly
    EXPECT_EQ(true, dev->state_saved);
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        EXPECT_EQ(i, dev->saved_config_space[i]);
    }
 
    delete dev;
}