Linux内核工程导论——UIO

Linux内核工程导论——UIO

要开启hugepages文件系统，这个文件系统要使用mmap来映射页，可以显著的减少缺页中断。

UIO介绍

UIO是一个在用户端实现内核驱动的机制。其在内核中有一个模块支持uio模块。现在这个模块只支持字符设备。用户可以添加多个uio设备（用户端的设备驱动），每个设备在/dev/uioX，X为数字，第一个为0，依次类推。我们知道设备都是靠中断来响应的，响应uio设备中断的方法是读取/dev/uioX文件，没有中断的时候读取会阻塞，来中断的时候会读取到整数值，代表已经发生的中断的次数。

但是这只是一般情况，有的设备有多个中断，有的没有中断。针对这些情况uio也实现了对应的机制，但是实现称不上完美。对于多个中断的情况，对/dev/uioX进行write()系统调用可以打开或者关闭内核的中断处理，以便驱动可以手动处理中断。没有中断的情况，uio提供了一个定时器接口，通过设置这个接口可以人工的让这个设备定时产生中断。

对于UIO用户定义的驱动，类似内核驱动，一般会有一些需要通过sys文件系统访问的全局变量。uio不支持调用sysctl更改这些值，但是可以在sys文件系统找到这些对应的文件，从而进行修改：/sys/class/uio/uioX

每个uio设备都有name、version、event这3个定义属性，还有一个maps文件夹（有内存映射的时候才存在），其他为sys文件系统自带的uevent模型。name表示这个UIO设备的名字，version用于标示当前的uio内核模块的版本，event与read() 设备获得的值一样，是当前已经发生过了中断的次数。maps文件夹服务于硬件的数据处理。大部分硬件都需要操作内存，UIO用户驱动如果要映射设备内存到用户端操作，需要使用mmap系统调用，每使用一次系统调用会在maps目录下生成一个目录map[digital]，里面有4个固定的文件用来描述映射的内存的信息：

其中addr是映射的基地址，offset是偏移量，name是映射时给这段映射起的名字，size是映射的内存的大小。如果不能映射内存的话，还可以通过x86的端口操作系统调用ioperm(), iopl(), inb(), outb()等对某个硬件端口进行读写。这种情况下，uio模块还添加了/sys/class/uio/uioX/portio/目录，下面是各个模块的文件映射，使得用户仍然可以直接操作端口来改变配置。

由于UIO在用户空间写驱动的便利性，所以对FPGA提供了很好的支持，甚至dpdk这种将内核数据包导出到用户空间的机制也是使用UIO的。Open Source Automation Development Lab等使用机器人编程的组织也喜欢UIO。

IOMMU

IOMMU本来是为虚拟化而设计，使用场景是如果驱动在用户态（比如虚拟机），没有高效的使用设备IO内存的方法，内核要在用户内存空间到设备内存空间做额外的转换，IOMMU可以直接将设备的内存空间映射到用户进程空间。用户可以直接排它的操作硬件。

VFIO

则是软件对硬件设备内存暴漏在用户空间的支持，DMA内存直接被映射到用户进程空间，使用这个驱动需要将设备与操作系统原来的驱动解绑。目前仅实现了支持vfio-pci模块支持PCI设备的映射。这对于在虚拟机和用户空间设备驱动有重要意义。