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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。

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内核态作用与实现

UIO 内核态的作用

1. 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）。
2. 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

1. 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
   };
   

2. 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");
   

3. 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。

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用户态作用与实现

UIO 用户态的作用

1. 设备访问：通过 /dev/uioX 文件与设备交互。
2. 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。
3. 中断处理：通过 read 调用等待中断事件。

用户态的实现步骤

1. 打开设备文件

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

2. 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;
   }
   

3. 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);
   }
   

4. 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);
   

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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;
}

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注意事项

1. 中断功能：
   • 如果不需要中断功能，可以省略中断处理函数，并将 irq 设置为 UIO_IRQ_NONE。
2. 性能问题：
   • 使用 UIO 时，中断和用户空间之间的切换会增加延迟，不适合高实时性场景。
3. 安全性：
   • UIO 将设备的硬件资源直接映射到用户空间，需确保用户空间程序的安全性，以防止资源滥用。

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总结

UIO 是一种简化设备驱动开发的高效工具，适合处理简单设备或快速原型开发。在内核态中，开发者只需完成资源注册和中断处理（可选）；在用户态中，程序通过 /dev/uioX 文件与设备交互，完成具体逻辑。