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Linux内核 -- UIO (User-space I/O) 简介与使用笔记

article 2024/12/27 19:00:42

UIO (User-space I/O) 简介

UIO (User-space I/O) 是 Linux 内核提供的一种机制，用于简化设备驱动的开发。它将设备的硬件资源（如内存映射、中断等）通过简单的接口暴露给用户空间程序，从而使用户可以在用户空间编写复杂的设备逻辑，而内核只需完成基础的资源管理工作。

内核态作用与实现

UIO 内核态的作用

硬件资源管理：
- 提供设备内存映射支持，将设备寄存器或内存映射到用户空间。
- 注册和处理硬件中断（可选）。
中断通知：
- 将设备硬件中断转发给用户空间程序。

UIO 内核态的实现步骤

定义设备信息结构
使用 struct uio_info 定义设备信息，包括中断号、内存地址等。

static struct uio_info my_uio_info = {
    .name = "my_device",
    .version = "1.0",
    .irq = 42,                      // 中断号（若不需要中断，可设置为 UIO_IRQ_NONE）
    .irq_flags = IRQF_SHARED,       // 中断标志
    .handler = my_irq_handler,      // 中断处理函数（可选）
    .mem[0].addr = 0x40000000,      // 物理地址
    .mem[0].size = 0x1000,          // 内存大小
    .mem[0].memtype = UIO_MEM_PHYS, // 内存类型
};

注册设备
使用 uio_register_device 注册设备信息：

static int __init my_uio_init(void) {
    return uio_register_device(NULL, &my_uio_info);
}

static void __exit my_uio_exit(void) {
    uio_unregister_device(&my_uio_info);
}

module_init(my_uio_init);
module_exit(my_uio_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

实现中断处理函数（可选）
如果需要支持硬件中断，需要实现中断处理逻辑：

static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, struct uio_info *dev_info) {
    return IRQ_HANDLED; // 通知内核中断已处理
}

注意事项

如果设备不需要中断功能，可以将 irq 设置为 UIO_IRQ_NONE，并省略 handler。
内核态代码只需要完成资源管理工作，具体设备逻辑由用户空间程序完成。

用户态作用与实现

UIO 用户态的作用

设备访问：通过 /dev/uioX 文件与设备交互。
内存映射：使用 mmap 将设备内存映射到用户空间，直接操作设备寄存器。
中断处理：通过 read 调用等待中断事件。

用户态的实现步骤

打开设备文件

int fd = open("/dev/uio0", O_RDWR);
if (fd < 0) {
    perror("Failed to open /dev/uio0");
    return -1;
}

内存映射
使用 mmap 将设备内存映射到用户空间：

void *reg_base = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (reg_base == MAP_FAILED) {
    perror("Failed to mmap");
    close(fd);
    return -1;
}

处理中断
通过 read 等待中断事件：

unsigned int irq_count;
while (1) {
    read(fd, &irq_count, sizeof(irq_count));
    printf("Interrupt received! Count: %d\n", irq_count);
}

释放资源
在程序结束时，释放映射的内存并关闭设备：
```
munmap(reg_base, 0x1000);
close(fd);
```

示例代码

内核态代码

以下是一个完整的内核态代码示例：

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

static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, struct uio_info *dev_info) {
    return IRQ_HANDLED;
}

static struct uio_info my_uio_info = {
    .name = "my_device",
    .version = "1.0",
    .irq = 42,
    .irq_flags = IRQF_SHARED,
    .handler = my_irq_handler,
    .mem[0].addr = 0x40000000,
    .mem[0].size = 0x1000,
    .mem[0].memtype = UIO_MEM_PHYS,
};

static int __init my_uio_init(void) {
    return uio_register_device(NULL, &my_uio_info);
}

static void __exit my_uio_exit(void) {
    uio_unregister_device(&my_uio_info);
}

module_init(my_uio_init);
module_exit(my_uio_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

用户态代码

以下是对应的用户态代码示例：

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/uio0", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open /dev/uio0");
        return -1;
    }

    void *reg_base = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (reg_base == MAP_FAILED) {
        perror("Failed to mmap");
        close(fd);
        return -1;
    }

    unsigned int irq_count;
    while (1) {
        read(fd, &irq_count, sizeof(irq_count));
        printf("Interrupt received! Count: %d\n", irq_count);
    }

    munmap(reg_base, 0x1000);
    close(fd);
    return 0;
}