前言
随着计算机技术的飞速发展,Linux操作系统作为开源领域的佼佼者,已经深入到了各个应用场景之中。在Linux系统中,内核与用户空间之间的交互是核心功能之一,而设备驱动则是实现这一交互的关键环节。然而,传统的设备驱动开发往往受限于内核空间的限制,无法充分发挥用户空间程序的灵活性和性能优势。为了解决这个问题,Linux内核引入了UIO(Userspace I/O)驱动模型。
UIO驱动模型以其简洁、高效和灵活的特点,为开发者提供了一种新的设备驱动开发方式。它允许用户空间程序直接访问物理设备资源,从而绕过了内核空间的限制,提高了数据传输效率和响应速度。同时,UIO驱动模型还提供了丰富的API和内核函数,使得开发者能够轻松地实现设备的内存映射、中断管理等功能。
本文将深入剖析Linux UIO驱动模型的技术细节,包括其定义、软件架构、必要性、工作原理以及涉及的内核函数等。通过本文的阅读,读者将能够全面了解UIO驱动模型的优势和应用场景,掌握其开发方法和技巧,从而更好地利用这一模型实现高性能、低延迟的设备驱动开发。
一、什么是UIO
UIO(Userspace I/O)是Linux内核中的一个轻量级驱动框架,它允许用户空间程序直接访问物理设备资源,如内存、中断和DMA通道等。UIO的主要目标是提供一种简单而灵活的方式,让用户空间程序能够直接与硬件设备进行交互,而无需通过内核空间的传统驱动程序。这种模型特别适用于那些需要高性能、低延迟或特殊硬件访问需求的场景。
二、UIO的软件架构介绍
UIO驱动模型由内核空间的UIO核心代码和用户空间的库组成。内核空间的UIO核心代码负责设备的注册、内存映射、中断管理等操作,而用户空间的库则提供了访问这些功能的接口。
UIO核心代码:这是UIO驱动模型的核心,负责设备驱动的注册和注销、内存映射的管理、中断处理等。关键函数 uio_register_device()
UIO设备:UIO设备是UIO核心代码与物理设备之间的抽象层。每个UIO设备都有一个与之关联的设备文件,用户空间程序可以通过这个设备文件与设备进行通信。
struct uio_portio {
struct kobjectkobj;
structuio_port *port;
};
/** * struct uio_port - description of a UIO port region* @name: name of the port region for identification * @start: start of portregion * @size: size of port region * @porttype: type of port (see UIO_PORT_*below) * @portio: for use by the UIO core only. */
struct uio_port {
const char *name;
unsigned long start;
unsigned long size;
int porttype;
structuio_portio *portio;
};
/* defines for uio_port->porttype */
#define UIO_PORT_NONE 0
#define UIO_PORT_X86 1
#define UIO_PORT_GPIO 2
#define UIO_PORT_OTHER 3
/** * struct uio_mem - description of a UIO memoryregion * @name: name of the memory region for identification * @addr: addressof the device's memory * @size: size of IO * @memtype: type of memory addrpoints to * @internal_addr: ioremap-ped version of addr, for driver internaluse * @map: for use by the UIO core only. */
struct uio_mem {
const char *name;
unsigned long addr;
unsigned long size;
int memtype;
void __iomem *internal_addr;
structuio_map *map;
};
struct uio_map {
struct kobjectkobj;
struct uio_mem*mem;
};
static const struct vm_operations_struct uio_vm_ops = {
.open =uio_vma_open,
.close =uio_vma_close,
.fault =uio_vma_fault,
};
static struct device_attribute uio_class_attributes[] ={
__ATTR(name,S_IRUGO, show_name, NULL),
__ATTR(version, S_IRUGO, show_version, NULL),
__ATTR(event,S_IRUGO, show_event, NULL),
{}
};
/* UIO class infrastructure */
static struct class uio_class = {
.name = "uio",///sys/class/uio
.dev_attrs =uio_class_attributes,
};
static const struct file_operations uio_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = uio_open,
.release = uio_release,
.read = uio_read,
.write = uio_write,
.mmap = uio_mmap,
.poll = uio_poll,
.fasync = uio_fasync,
.llseek = noop_llseek,
};
/* Protect idr accesses */
static DEFINE_MUTEX(minor_lock);
static DEFINE_IDR(uio_idr);
struct uio_device {
structmodule *owner;
structdevice *dev;
int minor;
atomic_t event;
structfasync_struct *async_queue;
wait_queue_head_t wait;
int vma_count;
structuio_info *info;
structkobject *map_dir;
structkobject *portio_dir;
};
/* * struct uio_info - UIO device capabilities
* @uio_dev: the UIO device this info belongs to
* @name: device name
* @version:device driver version
* @mem: list of mappable memory regions, size==0 for endof list
* @port: list of port regions, size==0 for end of list
* @irq:interrupt number or UIO_IRQ_CUSTOM
* @irq_flags: flags for request_irq()
* @priv: optional private data
* @handler: the device's irq handler
* @mmap: mmapoperation for this uio device
* @open: open operation for this uio device
* @release: release operation for this uio device
* @irqcontrol: disable/enableirqs when 0/1 is written to /dev/uioX
*/
struct uio_info {
structuio_device *uio_dev;
const char *name;
const char *version;
structuio_mem mem[MAX_UIO_MAPS];
structuio_port port[MAX_UIO_PORT_REGIONS];
long irq;
unsigned long irq_flags;
void *priv;
irqreturn_t(*handler)(int irq, struct uio_info *dev_info);
int (*mmap)(structuio_info *info, struct vm_area_struct *vma);
int (*open)(structuio_info *info, struct inode *inode);
int(*release)(struct uio_info *info, struct inode *inode);
int(*irqcontrol)(struct uio_info *info, s32 irq_on);
};
UIO用户空间库:这个库提供了一系列API,允许用户空间程序与UIO设备进行交互,如打开设备、映射内存、处理中断等。
用户空间应用程序:这些程序使用UIO用户空间库提供的API,直接与硬件设备进行通信和控制。
int32_t irq_count;
int fd = open("/dev/uio0", O_RDWR);
/* Map the register regions to proccess's virtual memspace */
void * access = mmap(NULL, 4096,PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
while (read(fd, &irq_count, 4) == 4)
{
printf("Interrupt number %dn", irq_count);
}
三、为什么需要UIO
四、UIO的工作原理
1. 内核部分实现原理:
mmap
系统调用将物理设备内存映射到用户空间的虚拟地址空间。2. 用户空间部分实现原理:
mmap
系统调用将设备内存映射到进程的虚拟地址空间。五、UIO涉及的内核函数介绍
uio_register_device
:用于注册UIO设备,将其添加到系统设备列表中。uio_unregister_device
:用于注销UIO设备,从系统设备列表中移除。uio_mmap
:用于处理用户空间的mmap
系统调用,将设备内存映射到用户空间的虚拟地址空间。uio_read
和 uio_write
:用于处理用户空间的读写操作,实现与设备的数据交互。uio_irqcontrol
:用于管理设备的中断,允许用户空间程序开启或关闭设备中断。六、结论
Linux UIO驱动模型提供了一种高效、灵活的方式来访问硬件设备资源。通过深入了解UIO驱动模型的架构、原理和内核函数,我们可以更好地利用这一模型,实现高性能、低延迟的设备驱动开发。