DPDK原理探索: igb_uio

我们知道，DPDK的核心特性在于绕开内核对网卡设备进行操作，而要实现这一点，DPDK采用的是Linux内核提供的UIO框架，并且对其进行封装，最终暴露给用户的东西就是——igb_uio。

0.0 什么是igb_uio？

igb_uio本质上是一个驱动(driver)。它是以一个内核模块的形式被加入到内核中的。我们使用的insmod命令其实就是一个插入内核模块(kernel module)的工具。

igb_uio的初始化：

模块初始化

可以看到，igb_uio的初始化是通过igbuio_pci_init_module来实现的，而这个函数又是怎么被调用的呢？事实上，在igb_uio内核模块被插入时，就会触发上图中module_init所设置的初始化回调函数。

igb_uio初始化回调函数

在igbuio_pci_init_module函数中，我们关心的是pci_register_driver函数，该函数将igbuio_pci_driver向内核中进行注册。同时，在igbuio_pci_driver结构体中，还有一个id_table的字段，它是一个struct pci_device_id数组，表示当前驱动所管理的所有设备。在pci_register_driver函数中，会调用probe回调函数去探测所有设备。但特殊的是，igb_uio在初始化时是没有管理任何设备的，即id_table数组为空。

奇怪了，显然igb_uio的驱动是需要管理网卡设备的，但是我们这里又没有任何驱动可以被探测到，那我们的网卡设备是什么时候被加入到igb_uio驱动的管理中的呢？

答案就是DPDK提供的usertools/dpdk-devbind.py脚本，这个脚本可以将某个网卡设备绑定为igb_uio驱动下的网卡设备，而绑定之后，就可以触发probe回调函数探测这个新的网卡设备，探测成功后，我们的新网卡就进入了igb_uio的设备数组中。

1.0igb_uio的设备探测过程：

在igbuio_pci_probe函数中， 完成的主要工作有五个：

1. 使能当前设备，即通过pci_enable_device(dev)函数enable当前设备
2. igbuio_setup_bars，该函数的功能是将当前设备的所有PCI BAR的全部信息读取到struct uio_info结构体中，后续注册UIO设备时需要使用
3. 设置DMA模式
4. 初始化UIO设备的File Operations，即open、release和irqcontrol等
5. 通过uio_register_device函数将当前设备注册为UIO设备。

1.1 PCI BAR设备信息的读取：

事实上，一个PCI设备通常有6个PCI BAR，这些PCI BAR在内核中被称为resource。而每一个PCI BAR都有各自的类型和物理地址。其中，类型有两种，一种是Memory类型的资源，另一种是I/O Port。

PCI BAR的数据读取

其中，对于IORESOURCE_MEM类型，通过igbuio_pci_setup_iomem函数进行读取，而对于IORESOURCE_IO类型，通过igbuio_pci_setup_ioport来进行读取。

那么，到底是什么PCI BAR呢？BAR的全称是Base Address Register，它是一个存储基地址的寄存器。在PCI设备内部的内存布局是这样的：

PCI内存布局

而每个BAR的数据分布如下：

每一个PCI BAR的数据分布

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1.1.0 igbuio_pci_setup_iomem的过程：

在igbuio_pci_setup_iomem函数中，通过pci_resource_start内核函数可以获取当前PCI BAR的物理地址起点，而通过pci_resource_len可以获取当前PCI BAR的物理地址长度。

IORESOURCE_MEM类型的PCI BAR

在上图中，最后方框标注的部分，就是将我们所读取到的PCI BAR的数据存入struct uio_info结构体中，以供后面注册UIO设备时使用。

值得一提的是，internal_addr其实在DPDK中是没有用到的，它表示当前PCI BAR的物理地址映射到内核中的虚拟地址。

1.1.1 igbuio_pci_setup_ioport的过程：

igbuio_pci_setup_ioport函数的过程与igbuio_pci_setup_iomem大致相同。

IORESOURCE_IO

1.1.2 为什么有I/O Memory和I/O Port两种类型？

对于一个设备来说，除了自带的内存之外，还可能有寄存器等存储手段。显然，设备自带的内存就属于I/O Memory，而寄存器等其他的存储手段属于I/O Port类型。

I/O Space 和 Memory Space

2.0 igb_uio如何绕开内核？

事实上，所有UIO设备在sysfs文件系统下都有一系列的文件接口，而用户程序就可以通过这些文件读取所需的设备信息，例如我们关心的PCI BAR等。得到了PCI BAR里存储的设备物理地址，就可以建立内存映射，进而与设备进行通信。

但是在DPDK的PMD中，并未使用PCI BAR的信息建立内存映射，而是直接使用mmap，直接映射/dev/uioX文件从而与某个UIO设备建立联系。

而不同的PCI BAR对应的内存区域在mmap时如何区分呢？ 简单地说，可以通过计算偏移量来区分，第n个PCI BAR对应的内存偏移量为n * pagesz，即每个PCI BAR对应的内存区域都在不同的页内。

参考资料：

1. DPDK-IGB_UIO
2. Userspace I/O HOWTO
3. How to Write Linux PCI Driver
4. PCI - OSDev Wiki
5. Linux Driver Development, Edition 3, by Jonathan Corbet, Alessandro Rubini, and Greg Kroah-Hartman

原文链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/483868843