用户态驱动--UIO机制的实现

1 uio理论部分

1.1为什么出现了UIO？

硬件设备可以根据功能分为网络设备，块设备，字符设备，或者根据与CPU相连的方式分为PCI设备，USB设备等。它们被不同的内核子系统支持。这些标准的设备的驱动编写较为容易而且容易维护。很容易加入主内核源码树。但是，又有很多设备难以划分到这些子系统中，比如I/O卡，现场总线接口或者定制的FPGA。通常这些非标准设备的驱动被实现为字符驱动。这些驱动使用了很多内核内部函数和宏。而这些内部函数和宏是变化的。这样驱动的编写者必须编写一个完全的内核驱动，而且一直维护这些代码。而且这些驱动进不了主内核源码。于是就出现了用户空间I/O框架(Userspace
I/O framework)。

1.2 UIO 是怎么工作的？

一个设备驱动的主要任务有两个：

1. 存取设备的内存

2. 处理设备产生的中断

对于第一个任务，UIO核心实现了mmap()可以处理物理内存(physicalmemory)，逻辑内存(logical memory)，虚拟内存(virtual memory)。UIO驱动的编写是就不需要再考虑这些繁琐的细节。
第二个任务，对于设备中断的应答必须在内核空间进行。所以在内核空间有一小部分代码用来应答中断和禁止中断，但是其余的工作全部留给用户空间处理。
如果用户空间要等待一个设备中断，它只需要简单的阻塞在对 /dev/uioX的read()操作上。当设备产生中断时，read()操作立即返回。UIO 也实现了poll()系统调用，你可以使用 select()来等待中断的发生。select()有一个超时参数可以用来实现有限时间内等待中断。
对设备的控制还可以通过/sys/class/uio下的各个文件的读写来完成。你注册的uio设备将会出现在该目录下。假如你的uio设备是uio0那么映射的设备内存文件出现在 /sys/class/uio/uio0/maps/mapX，对该文件的读写就是 对设备内存的读写。
如下的图描述了uio驱动的内核部分，用户空间部分，和uio 框架以及内核内部函数的关系。



详细的UIO驱动的编写可以参考 drivers/uio/下的例子，以及Documentation/DocBook/uio-howto.tmp//tmpl格式的文件可以借助 docbook-utils (debian下)工具转化为pdf或者html等格式。

 

1.3 UIO核心的实现 和 UIO驱动的内核部分的关系

重要的结构：
struct uio_device {
struct module      *owner;
struct device        *dev; //在__uio_register_device中初始化
int             minor; //
次设备id号，uio_get_minor
atomic_t       event; //中断事件计数

   //该设备上的异步等待队列，关于 “异步通知“参见LDD3第六章
struct fasync_struct   *async_queue;
//该设备上的等待队列，在注册设备时(__uio_register_device)初始化
wait_queue_head_t   wait;

int        vma_count;
struct uio_info     *info;//
指向用户注册的uio_info，在__uio_register_device中被赋值的
struct kobject     *map_dir;
struct kobject     *portio_dir;
};  
/*
* struct uio_info - UIO device capabilities

 * @uio_dev:        theUIO device this info belongs to

 * @name:       device name

 * @version:       device driver version

 * @mem:        list ofmappable memory regions, size==0 for end of list

 * @port:       list of portregions, size==0 for end of list

 * @irq:       interrupt number or UIO_IRQ_CUSTOM

 * @irq_flags:      flagsfor request_irq()

 * @priv:       optionalprivate data

 * @handler:        thedevice's irq handler

 * @mmap:       mmapoperation for this uio device

 * @open:       openoperation for this uio device

 * @release:       release operation for this uio device

 * @irqcontrol:    disable/enable irqs when 0/1 is written to /dev/uioX

 */
struct uio_info { 

    struct uio_device   *uio_dev;// 在__uio_register_device中初始化

    const char       *name; // 调用__uio_register_device之前必须初始化

    const char       *version;//调用__uio_register_device之前必须初始化

    struct uio_mem  mem[MAX_UIO_MAPS];

    struct uio_port   port[MAX_UIO_PORT_REGIONS];

    long             irq; //分配给uio设备的中断号，调用__uio_register_device之前必须初始化

    unsigned long      irq_flags;// 调用__uio_register_device之前必须初始化

    void           *priv; //

    irqreturn_t (*handler)(int irq,struct uio_info *dev_info); //uio_interrupt中调用，用于中断处理

                                                                                        //调用__uio_register_device之前必须初始化

    int (*mmap)(struct uio_info *info,struct vm_area_struct *vma); //在uio_mmap中被调用，

                                                                                                     //执行设备打开特定操作

    int (*open)(struct uio_info *info,struct inode *inode);//在uio_open中被调用，执行设备打开特定操作

    int (*release)(struct uio_info*info, struct inode *inode);//在uio_device中被调用，执行设备关闭特定操作

    int (*irqcontrol)(struct uio_info*info, s32 irq_on);//在uio_write方法中被调用，执行用户驱动的/特定操作。

};

先看一个uio 核心和 uio设备之间关系的图，有个整体印象：



uio核心部分是一个名为"uio"的字符设备(下文称为“uio核心字符设备“)。用户驱动的内核部分使用uio_register_device向uio核心部分注册uio设备。uio核心的任务就是管理好这些注册的uio设备。这些uio设备使用的数据结构是
 uio_device。而这些设备属性，比如name, open(), release()等操作都放在了uio_info结构中，用户使用
uio_register_device注册这些驱动之前要设置好uio_info。

uio核心字符设备注册的 uio_open，uio_fasync，
uio_release， uio_poll， uio_read，
uio_write中除了完成相关的维护工作外，还调用了注册在uio_info中的相关方法。比如，在 uio_open中调用了uio_info中注册的open方法。

那么这里有一个问题，uio核心字符设备怎么找到相关设备的uio_device结构的呢？

这就涉及到了内核的idr机制，关于该机制可以参考：

http://blog.csdn.net/ganggexiongqi/article/details/6737389

 

在uio.c中，有如下的定义：

staticDEFINE_IDR(uio_idr);

 /* Protect idr accesses */

static DEFINE_MUTEX(minor_lock);

 

在你调用uio_register_device(内部调用了__uio_register_device)注册你的uio设备时，在__uio_register_device中调用了uio_get_minor函数，在uio_get_minor函数中，利用idr机制(idr_get_new)建立了次设备号和uio_device类型指针之间的联系。而uio_device指针指向了代表你注册的uio设备的内核结构。在uio核心字符设备的打开方法，uio_open中先取得了设备的次设备号(iminor(inode))，再次利用idr机制提供的方法(idr_find)取得了对应的uio_device类型的指针。并且把该指针保存在了uio_listener结构中，以方便以后使用。

1.4 关于设备中断的处理

在__uio_register_device中，为uio设备注册了统一的中断处理函数uio_interrupt,在该函数中，调用了uio设备自己提供的中断处理函数handler(uio_info结构中)。并调用了uio_event_notify函数对uio设备的中断事件计数器增一,通知各个读进程“有数据可读”。每个uio设备的中断处理函数都是单独注册的。

 

关于中断计数: uio_listener

struct uio_listener {

struct uio_device *dev; //  保存uio设备的指针，便于访问

               s32 event_count; //跟踪uio设备的中断事件计数器

};

对于每一个注册的uio设备(uio_device),都关联一个这样的结构。它的作用就是跟踪每个uio设备(uio_device)的中断事件计数器值。在用户空间进行文件打开操作(open)时，与uio设备关联的uio_listener结构就被分配，指向它的指针被保存在filep指针的private_data字段以供其他操作使用。

 

在用户空间执行文件关闭操作时，和uio设备关联的uio_listener结构就被销毁。在uio设备注册时，uiocore会为设备注册一个通用的中断处理函数(uio_interrupt),在该函数中，会调用uio设备自身的中断处理函数(handler).中断发生时，uio_event_notify将被调用，用来对设备的中断事件计数器()增一，并通知各读进程，有数据可读。uio_poll操作判断是否有数据可读的依据就是
listener中的中断事件计数值(event_count)和uio设备中的中断事件计数器值不一致(前者小于后者)。因为listener的值除了在执行文件打开操作时被置为被赋值外，只在uio_read操作中被更新为uio设备的中断事件计数器值。

 

疑问1：

 对于中断事件计数器，uio_device中定义为 atomic_t类型，又有

            typedef struct {

               int counter;

            }atomic_t;

   

需不需要考虑溢出问题？

   同样的问题存在在uio_listener的event_count字段。

   

关于uio_device的event字段
uio_howto中：

event: The total number of interrupts handledby the driver since the last time the device node was read.

   

【如果中断事件产生的频率是100MHZ的话，(2^32)/(10^8) = 42秒】counter计数器就会溢出。所以，依赖于counter的操作可能会出现问题。//补充：中断发生的频率最多为kHz不会是
Mhz，所以[]中的假设是不合理的，但是溢出会发生，而且，依赖counter值的应用可能会出现问题！！

   

我们可以添加一个timer，在timer处理函数中，调用uio_event_notify增加counter的值，很快会观察到溢出。<<<<<<<例子，还没有写
(^_^)

//其实，可以在我们注册的函数中，得到uio_device的指针，可以直接修改event的值。

 ===========关于 sysfs文件创建

   sysfs下uio相关的文件结构如下

 

sys  

 ├───uio  

       ├───uio0  

       │    ├───maps  

       │         ├───mapX  

       ├───uio1  

            ├───maps                          

             │   ├───mapX        

            ├───portio  

                 ├───portX  

 

其中的uio是uio模块加载时，uio_init调用init_uio_class调用class_register注册到内核空间的。关于这个类的方法有个疑问，就是比如在show_event方法中，struct
uio_device *idev = dev_get_drvdata(dev);//具体的uio设备相关的信息这个uio_device相关的信息是怎么跟
uio class联系上的?

在调用__uio_register_device注册uio设备时，通过

    idev->dev =device_create(&uio_class, parent,

                 MKDEV(uio_major, idev->minor), idev,

                 "uio%d", idev->minor);

     其中，idev就是 uio_device类型的指针，它作为drvdata被传入，device_create调用了device_create调用了device_create_vargs调用了dev_set_drvdata。

     

这样在uio class的 show_event方法中，就可以使用struct
uio_device *idev = dev_get_drvdata(dev);得到了uio设备的结构体的指针。

 

device_create调用完毕后在 /sys/class/uio/下就会出现代表uio设备的uioX文件夹，其中X为uio设备的次设备号。

 

2 UIO编写实例

怎么编写uio驱动详解

   为了用最简单的例子说明问题，我们在我们uio驱动的内核部分只映射了一块1024字节的逻辑内存。没有申请中断。这样加载上我们的驱动后，将会在/sys/class/uio/uio0/maps/map0中看到addr，name,
offset, size。他们分别是映射内存的起始地址,映射内存的名字，起始地址的页内偏移,映射内存的大小。在uio驱动的用户空间部分，我们将打开addr,
size以便使用映射好的内存。

[plain] viewplaincopy

/**  

*  This is a simple demon of uio driver.  

*  Last modified by   

        09-05-2011  Joseph Yang(Yang Honggang)<ganggexiongqi@gmail.com>  

*  

* Compile:    

*   Save this file name it simple.c  

*   # echo "obj-m := simple.o" >Makefile  

*   # make -Wall -C /lib/modules/`uname-r`/build M=`pwd` modules  

* Load the module:  

*   #modprobe uio  

*   #insmod simple.ko  

*/  

  

#include <linux/module.h>  

#include <linux/platform_device.h>  

#include <linux/uio_driver.h>  

#include <linux/slab.h> /* kmalloc, kfree */ 

struct uio_info kpart_info = {  

        .name ="kpart",  

        .version ="0.1",  

        .irq = UIO_IRQ_NONE,  

};  

  

static int drv_kpart_probe(struct device *dev);  

static int drv_kpart_remove(struct device *dev);  

static struct device_driver uio_dummy_driver = {  

        .name ="kpart",  

        .bus =&platform_bus_type,  

        .probe =drv_kpart_probe,  

        .remove =drv_kpart_remove,  

};  

  

static int drv_kpart_probe(struct device *dev)  

{  

        printk("drv_kpart_probe(%p)\n", dev);  

        kpart_info.mem[0].addr= (unsigned long)kmalloc(1024,GFP_KERNEL);  

  

       if(kpart_info.mem[0].addr == 0)  

               return -ENOMEM;  

       kpart_info.mem[0].memtype = UIO_MEM_LOGICAL;  

        kpart_info.mem[0].size= 1024;  

  

        if(uio_register_device(dev, &kpart_info))  

               return -ENODEV;  

        return 0;  

}  

  

static int drv_kpart_remove(struct device *dev)  

{  

   uio_unregister_device(&kpart_info);  

  

    return 0;  

}  

  

static struct platform_device * uio_dummy_device;  

  

static int __init uio_kpart_init(void)  

{  

        uio_dummy_device =platform_device_register_simple("kpart", -1,  

                       NULL, 0);  

  

        return driver_register(&uio_dummy_driver); 

}  

  

static void __exit uio_kpart_exit(void)  

{  

       platform_device_unregister(uio_dummy_device);  

       driver_unregister(&uio_dummy_driver);  

}  

  

module_init(uio_kpart_init);  

module_exit(uio_kpart_exit);  

  

MODULE_LICENSE("GPL");  

MODULE_AUTHOR("Benedikt Spranger");  

MODULE_DESCRIPTION("UIO dummy driver");  

    这个文件是我们uio驱动的内核部分。下面做下简要解释。一个uio驱动的注册过程简单点说有两个步骤：

   1. 初始化设备相关的 uio_info结构。

   2. 调用uio_register_device 分配并注册一个uio设备。

    

 uio驱动必须要提供并初始化的结构 uio_info, 它包含了您要注册的uio_device的重要特性。

structuio_info kpart_info = { 

        .name ="kpart",

        .version ="0.1",

        .irq = UIO_IRQ_NONE,//我们没有使用中断，所以初始为UIO_IRQ_NONE

};

当你没有实际的硬件设备，但是，还想产生中断的话，就可以把irq设置为

UIO_IRQ_CUSTOM，并初始化uio_info的handler字段，那么在产生中断时，你注册的中断处理函数将会被调用。如果有实际的硬件设备，那么irq应该是您的硬件设备实际使用的中断号。

 

然后，在drv_kpart_probe函数(先不要管为什么在这个函数中进行这些操作)中，完成了kpart_info.mem[0].addr，
kpart_info.mem[0].memtype，kpart_info.mem[0].size字段的初始化。这是内存映射必须要设置的。

 

其中,  kpart_info.mem[0].memtype可以是 UIO_MEM_PHYS，那么被映射到用户空间的是你设备的物理内存。也可以是UIO_MEM_LOGICAL，那么被映射到用户空间的是逻辑内存(比如使用kmalloc分配的内存)。还可以是UIO_MEM_VIRTUAL,那么被映射到用户空间的是虚拟内存(比如用vmalloc分配的内存).这样就完成了uio_info结构的初始化。

 

下一步，还是在drv_kpart_probe中，调用uio_register_device完成了uio设备向uiocore的注册。下面讲一下，为什么我们的设备跟platform之类的东东扯上了关系?

 

我们的驱动不存在真正的物理设备与之对应。而 Platform  驱动“自动探测“，这个特性是我们在没有实际硬件的情况下需要的。

 

先从uio_kpart_init开始分析。

1platform_device_register_simple的调用创建了一个简单的platform设备。

2注册device_driver类型的uio_dummy_driver变量到bus。

这里需要注意一个问题，就是 device_driver结构中的name为“kpart",我们创建的platform设备名称也是"kpart"。而且先创建platform设备，后注册驱动。这是因为，创建好设备后，注册驱动时，驱动依靠name来匹配设备。之后
drv_kpart_probe就完成了uio_info的初始化和uio设备的注册。

 

 

---------------user_part.c ----------------------

这个是uio驱动的用户空间部分。

[plain] view plaincopy

#include <stdio.h>  

#include <fcntl.h>  

#include <stdlib.h>  

#include <unistd.h>  

#include <sys/mman.h>  

#include <errno.h>  

  

#define UIO_DEV "/dev/uio0"  

#define UIO_ADDR"/sys/class/uio/uio0/maps/map0/addr"  

#define UIO_SIZE"/sys/class/uio/uio0/maps/map0/size"  

  

static char uio_addr_buf[16], uio_size_buf[16];  

  

int main(void)  

{  

  int uio_fd, addr_fd, size_fd;  

  int uio_size;  

  void* uio_addr, *access_address;  

   

  uio_fd = open(UIO_DEV, /*O_RDONLY*/O_RDWR); 

  addr_fd = open(UIO_ADDR, O_RDONLY);  

  size_fd = open(UIO_SIZE, O_RDONLY);  

  if( addr_fd < 0 || size_fd < 0 ||uio_fd < 0) {  

       fprintf(stderr,"mmap: %s\n", strerror(errno));  

       exit(-1);  

  }  

  read(addr_fd, uio_addr_buf,sizeof(uio_addr_buf));  

  read(size_fd, uio_size_buf,sizeof(uio_size_buf));  

  uio_addr = (void*)strtoul(uio_addr_buf,NULL, 0);  

  uio_size = (int)strtol(uio_size_buf, NULL,0);  

  

  access_address = mmap(NULL, uio_size,PROT_READ | PROT_WRITE,  

                    MAP_SHARED, uio_fd, 0);  

  if ( access_address == (void*) -1) {  

      fprintf(stderr, "mmap:%s\n", strerror(errno));  

      exit(-1);  

  }  

  printf("The device address %p (lenth%d)\n"  

         "can beaccessed over\n"  

         "logicaladdress %p\n", uio_addr, uio_size, access_address);  

 //读写操作  

/*  

 access_address =(void*)mremap(access_address, getpagesize(), uio_size + getpagesize() + 11111,MAP_SHARED);  

  

  if ( access_address == (void*) -1) {  

      fprintf(stderr,"mremmap: %s\n", strerror(errno));  

      exit(-1);  

  }   

  printf(">>>AFTER REMAP:" 

         "logicaladdress %p\n", access_address);  

*/  

  return 0;  

}  

-------------------------------------------------------

加载uio模块

#modprobe uio

加载simple.ko

#insmod simple.ko

# ls /dev/ | grep uio0

   uio0

# ls /sys/class/uio/uio0 

   ...

如果相应的文件都存在，那么加载用户空间驱动部分。

#./user_part

The device address 0xee244400 (lenth 1024)

can be accessed over

logical address 0xb78d4000
http://blog.csdn.net/wenwuge_topsec/article/details/9628409