1uio理論部分
1.1爲什麼出現了UIO？
硬件設備可以根據功能分爲網絡設備，塊設備，字符設備，或者根據與CPU相連的方式分爲PCI設備，USB設備等。它們被不同的內核子系統支持。這些標準的設備的驅動編寫較爲容易而且容易維護。很容易加入主內核源碼樹。但是，又有很多設備難以劃分到這些子系統中，比如I/O卡，現場總線接口或者定製的FPGA。通常這些非標準設備的驅動被實現爲字符驅動。這些驅動使用了很多內核內部函數和宏。而這些內部函數和宏是變化的。這樣驅動的編寫者必須編寫一個完全的內核驅動，而且一直維護這些代碼。而且這些驅動進不了主內核源碼。於是就出現了用戶空間I/O框架(Userspace I/O framework)。-
1.2UIO 是怎麼工作的？
一個設備驅動的主要任務有兩個：
1. 存取設備的內存
2. 處理設備產生的中斷
對於第一個任務，UIO 核心實現了mmap()可以處理物理內存(physical memory)，邏輯內存(logical memory)， 虛擬內存(virtual memory)。UIO驅動的編寫是就不需要再考慮這些繁瑣的細節。
第二個任務，對於設備中斷的應答必須在內核空間進行。所以在內核空間有一小部分代碼用來應答中斷和禁止中斷，但是其餘的工作全部留給用戶空間處理。
如果用戶空間要等待一個設備中斷，它只需要簡單的阻塞在對 /dev/uioX的read()操作上。 當設備產生中斷時，read()操作立即返回。UIO 也實現了poll()系統調用，你可以使用 select()來等待中斷的發生。select()有一個超時參數可以用來實現有限時間內等待中斷。
對設備的控制還可以通過/sys/class/uio下的各個文件的讀寫來完成。你註冊的uio設備將會出現在該目錄下。 假如你的uio設備是uio0那麼映射的設備內存文件出現在 /sys/class/uio/uio0/maps/mapX，對該文件的讀寫就是 對設備內存的讀寫。
如下的圖描述了uio驅動的內核部分，用戶空間部分，和uio 框架以及內核內部函數的關係
詳細的UIO驅動的編寫可以參考 drivers/uio/下的例子，以及Documentation/DocBook/uio-howto.tmp//tmpl格式的文件可以藉助 docbook-utils (debian下)工具轉化爲pdf或者html合格等。
1.3 “uio 核心的實現 和 uio驅動的內核部分的關係“詳談
重要的結構：
struct uio_device {
struct module *owner;
struct device *dev; //在__uio_register_device中初始化
int minor; // 次設備id號，uio_get_minor
atomic_t event; //中斷事件計數
struct fasync_struct *async_queue;//該設備上的異步等待隊列//
// 關於 “異步通知“ //參見LDD3第六章
wait_queue_head_t wait; //該設備上的等待隊列，在註冊設備時(__uio_register_device)初始化
int vma_count;
struct uio_info *info;// 指向用戶註冊的uio_info，在__uio_register_device中被賦值的
struct kobject *map_dir;
struct kobject *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 end of 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: mmap operation for this uio device
* @open: open operation 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; // 調用__uio_register_device之前必須初始化
const char *version; //調用__uio_register_device之前必須初始化
struct uio_mem mem[MAX_UIO_MAPS];
struct uio_port port[MAX_UIO_PORT_REGIONS];
long irq; //分配給uio設備的中斷號，調用__uio_register_device之前必須初始化
unsigned long irq_flags;// 調用__uio_register_device之前必須初始化
void *priv; //
irqreturn_t (*handler)(int irq, struct uio_info *dev_info); //uio_interrupt中調用，用於中斷處理
// 調用__uio_register_device之前必須初始化
int (*mmap)(struct uio_info *info, struct vm_area_struct *vma); //在uio_mmap中被調用，
// 執行設備打開特定操作
int (*open)(struct uio_info *info, struct inode *inode);//在uio_open中被調用，執行設備打開特定操作
int (*release)(struct uio_info *info, struct inode *inode);//在uio_device中被調用，執行設備關閉特定操作
int (*irqcontrol)(struct uio_info *info, s32 irq_on);//在uio_write方法中被調用，執行用戶驅動的/特定操作。
};先看一個uio 核心和 uio 設備之間關係的圖，有個整體印象：
uio核心字符設備註冊的 uio_open ，uio_fasync， uio_release， uio_poll， uio_read ， uio_write 中除了完成相關的維護工作外，還調用了註冊在uio_info中的相關方法。比如，在 uio_open中調用了uio_info中註冊的open方法。
那麼這裏有一個問題，uio核心字符設備怎麼找到相關設備的uio_device結構的呢？
這就涉及到了內核的idr機制，關於該機制可以參考：
http://blog.csdn.net/ganggexiongqi/article/details/6737389
在uio.c中，有如下的定義：
static DEFINE_IDR(uio_idr);
/* Protect idr accesses */
static DEFINE_MUTEX(minor_lock);
在你調用uio_register_device(內部調用了__uio_register_device)註冊你的uio 設備時，在__uio_register_device中調用了uio_get_minor函數，在uio_get_minor函數中，利用idr機制(idr_get_new)建立了次設備號和uio_device類型指針之間的聯繫。而uio_device指針指向了代表你註冊的uio設備的內核結構。在uio核心字符設備的打開方法，uio_open中先取得了設備的次設備號(iminor(inode))，再次利用idr機制提供的方法(idr_find)取得了對應的uio_device類型的指針。並且把該指針保存在了uio_listener結構中，以方便以後使用。
1.4關於設備中斷的處理
在__uio_register_device中，爲uio設備註冊了統一的中斷處理函數uio_interrupt,在該函數中，調用了uio設備自己提供的中斷處理函數handler(uio_info結構中)。並調用了uio_event_notify函數對uio設備的中斷事件計數器增一, 通知各個讀進程“有數據可讀”。每個uio設備的中斷處理函數都是單獨註冊的。
關於中斷計數: uio_listener
struct uio_listener {
struct uio_device *dev; // 保存uio設備的指針，便於訪問
s32 event_count; //跟蹤uio設備的中斷事件計數器
};
對於每一個註冊的uio 設備(uio_device), 都關聯一個這樣的結構。它的作用就是跟蹤每個uio設備(uio_device)的中斷事件計數器值。在用戶空間進行文件打開操作(open)時，與uio設備關聯的uio_listener結構就被分配，指向它的指針被保存在filep指針的private_data字段以供其他操作使用。
在用戶空間執行文件關閉操作時，和uio設備關聯的uio_listener結構就被銷燬。在uio設備註冊時，uio core會爲設備註冊一個通用的中斷處理函數(uio_interrupt),在該函數中，會調用uio設備自身的中斷處理函數(handler). 中斷髮生時，uio_event_notify將被調用，用來對設備的中斷事件計數器()增一，並通知各讀進程，有數據可讀。uio_poll 操作判斷是否有數據可讀的依據就是 listener中的中斷事件計數值(event_count)和uio設備中的中斷事件計數器值不一致(前者小於後者)。因爲listener的值除了在執行文件打開操作時被置爲被賦值外，只在uio_read操作中被更新爲uio設備的中斷事件計數器值。
疑問1：
對於中斷事件計數器，uio_device中定義爲 atomic_t 類型，又有
typedef struct {
int counter;
} atomic_t;
需不需要考慮溢出問題？
同樣的問題存在在uio_listener的event_count字段。
關於uio_device的event字段 uio_howto中：
event: The total number of interrupts handled by the driver since the last time the device node
was read.
【如果中斷事件產生的頻率是100MHZ的話，(2^32)/(10^8) = 42 秒 】counter計數器就會溢出。所以，依賴於counter的操作可能會出現問題。//補充：中斷髮生的頻率最多爲kHz不會是 Mhz，所以[]中的假設是不合理的，但是溢出會發生，而且，依賴counter值的應用可能會出現問題！！
我們可以添加一個timer，在timer 處理函數中，調用uio_event_notify增加counter的值，
很快會觀察到溢出。<<<<<<< 例子，還沒有寫 (^_^)
//其實，可以在我們註冊的函數中，得到uio_device的指針，可以直接修改event的值。
===========關於 sysfs文件創建
sysfs下uio相關的文件結構如下
sys
├───uio
├───uio0
│ ├───maps
│ ├───mapX
├───uio1
├───maps
│ ├───mapX
├───portio
├───portX
其中的uio是uio模塊加載時，uio_init調用init_uio_class調用class_register註冊到內核空間的。關於這個類的方法有個疑問，就是比如在show_event方法中，struct uio_device *idev = dev_get_drvdata(dev);//具體的uio設備相關的信息這個uio_device相關的信息是怎麼跟 uio class聯繫上的?
在調用__uio_register_device註冊uio設備時，通過
idev->dev = device_create(&uio_class, parent,
MKDEV(uio_major, idev->minor), idev,
"uio%d", idev->minor);
其中，idev就是 uio_device類型的指針，它作爲drvdata被傳入，device_create調用了device_create調用了device_create_vargs調用了dev_set_drvdata。
這樣在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設備的結構體的指針。
device_create調用完畢後在 /sys/class/uio/下就會出現 代表uio設備的uioX文件夾，
其中X爲uio設備的次設備號。
2UIO編寫實例
怎麼編寫uio驅動詳解
======================
爲了用最簡單的例子說明問題，我們在我們uio驅動的內核部分只映射了一塊1024字節的邏輯內存。沒有申請中斷。這樣加載上我們的驅動後，將會在/sys/class/uio/uio0/maps/map0中看到addr，name, offset, size。他們分別是映射內存的起始地址, 映射內存的名字，起始地址的頁內偏移, 映射內存 的大小。 在uio驅動的用戶空間部分，我們將打開addr, size以便使用映射好的內存。
[plain] view plaincopy
/**
* This is a simple demon of uio driver.
* Last modified by
09-05-2011 Joseph Yang(Yang Honggang)<[email protected]>
*
* 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");
這個文件是我們uio驅動的內核部分。下面做下簡要解釋。
一個uio驅動的註冊過程簡單點說有兩個步驟：
1. 初始化設備相關的 uio_info結構。
2. 調用uio_register_device 分配並註冊一個uio設備。
uio驅動必須要提供並初始化的結構 uio_info, 它包含了您要註冊的uio_device的重要特性。
struct uio_info kpart_info = {
.name = "kpart",
.version = "0.1",
.irq = UIO_IRQ_NONE,//我們沒有使用中斷，所以初始爲UIO_IRQ_NONE
};
當你沒有實際的硬件設備，但是，還想產生中斷的話，就可以把irq設置爲UIO_IRQ_CUSTOM，
並初始化uio_info的handler字段，那麼在產生中斷時，你註冊的中斷處理函數將會被調用。
如果有實際的硬件設備，那麼irq應該是您的硬件設備實際使用的中斷號。
然後，在drv_kpart_probe函數(先不要管爲什麼在這個函數中進行這些操作)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。這是內存映射必須要設置的。
其中, kpart_info.mem[0].memtype可以是 UIO_MEM_PHYS，那麼被映射到用戶空間的是你設備的物理內存。也可以是UIO_MEM_LOGICAL，那麼被映射到用戶空間的是邏輯內存(比如使用 kmalloc分配的內存)。還可以是UIO_MEM_VIRTUAL,那麼被映射到用戶空間的是虛擬內存(比如用vmalloc分配的內存).這樣就完成了uio_info結構的初始化。
下一步，還是在drv_kpart_probe中，調用uio_register_device完成了uio設備向uio core的註冊。
下面講一下，爲什麼我們的設備跟platform之類的東東扯上了關係?
我們的驅動不存在真正的物理設備與之對應。而 Platform 驅動“自動探測“，這個特性是我們在沒有實際硬件的情況下需要的。
先從uio_kpart_init開始分析。
1 platform_device_register_simple的調用創建了一個簡單的platform設備。
2註冊device_driver類型的uio_dummy_driver變量到bus。
這裏需要注意一個問題，就是 device_driver結構中的name爲“kpart", 我們創建的platform設備名稱也是"kpart"。而且先創建platform設備，後註冊驅動。這是因爲，創建好設備後，註冊驅動時，驅動依靠name來匹配設備。之後 drv_kpart_probe就完成了uio_info的初始化和uio設備的註冊。
--------------- user_part.c ----------------------
這個是uio驅動的用戶空間部分。
[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 be accessed over\n"
"logical address %p\n", uio_addr, uio_size, access_address);
//讀寫操作
/*
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:"
"logical address %p\n", access_address);
*/
return 0;
}
-------------------------------------------------------
加載uio模塊
#modprobe uio
加載simple.ko
#insmod simple.ko
# ls /dev/ | grep uio0
uio0
# ls /sys/class/uio/uio0
...
如果相應的文件都存在，那麼加載用戶空間驅動部分。
#./user_part
The device address 0xee244400 (lenth 1024)
can be accessed over
logical address 0xb78d4000