• SPDK/NVMe存储技术分析之初识UIO（一）

    UIO(Userspace I/O)是运行在用户空间的I/O技术。在Linux系统中，一般的设备驱动都是运行在内核空间，而在用户空间使用应用程序调用即可。而UIO则是将设备驱动的很少一部分运行在内核空间，而在用户空间实现驱动的绝大多数功能。那么，在内核空间UIO要做的事情就变得很简单，分为两种：

    1. 分配和记录设备需要的资源和注册UIO设备

    2. 实现必须在内核空间实现的中断处理函数

    为了对UIO有一个直观的认识，先上个图：

    了解了UIO 驱动在Linux系统中的位置后，让我们对参考资料(Linux User Space Device Drivers)的部分内容做一个中英文对照翻译以加深对UIO的理解。

    1. Device Driver Architectures | 设备驱动架构

    • Linux device drivers are typically designed as kernel drivers running in kernel space 典型的Linux设备驱动都是被设计为运行在内核空间的内核驱动

    • User space I/O is another alternative device driver architecture that has been supported by the Linux kernel since 2.6.24 从Linux内核版本2.6.24开始，就支持另一种可作为内核设备驱动的替代方案的设备驱动架构，也就是用户空间I/O

    • People in the Linux kernel community may not always agree on the need to have user space I/O 在Linux内核社区的人们不总是赞成使用用户空间I/O

    • Industrial I/O cards have been taking advantage of user space I/O for quite some time 在工业中使用的I/O卡利用用户空间I/O的优点已经有一阵子了

    • For some types of devices, creating a Linux kernel driver may be overkill 对某些类型的设备来说，创建对应的Linux内核驱动很可能代价太高

    • Soft IP for FPGAs can have unique requirements that don't always fit the mold FPGA的软IP有独特的需求，将驱动放在内核实现并不总是适合的

    2. Legacy User Space Driver Methods (/dev/mem) | 传统的用户态驱动实现方法(/dev/mem)

    • 内核中存在一个称为 /dev/mem 的字符驱动程序，它将设备内存映射到用户空间

    • 有了这个驱动，用户空间应用程序可以访问设备内存

    • 可以在内核配置中禁用内存访问，因为这是一个很大的安全漏洞 (CONFIG_STRICT_DEVMEM)

    • 必须是root用户

    • 用于原型设计或测试新硬件的好工具，但不被认为是用户空间设备驱动程序可接受的生产解决方案

    • 由于它可以将任何地址映射到用户空间，因此有缺陷的用户空间驱动程序可能会使内核崩溃

    3. UIO 简介

    • Linux内核提供了一个框架来做用户空间驱动，叫做UIO

    • 该框架是一个字符模式内核驱动程序（在驱动程序/uio 中），它作为一个层在用户空间驱动程序下运行

    • UIO 有助于卸载一些开发驱动程序的工作

    • UIO 中的“U”不是通用的

    • - 由内核框架处理好的设备最好留在内核中（如果您询问许多内核开发人员）

    • - 网络是半导体供应商进行用户空间 I/O 以提高性能的领域之一

    • UIO 可以很好地处理简单的设备驱动程序

    • - 简单的驱动：设备访问和中断处理，无需访问内核框架

    4. Kernel Space Driver Characteristics | 内核空间驱动的特点

    4.1 Advantages | 优点

    • 以最高权限模式在内核空间中运行，以允许访问中断和硬件资源

    • 有很多内核服务，可以为复杂的设备设计内核空间驱动程序

    • 内核为用户空间提供 API，允许多个应用程序同时访问内核空间驱动程序

    • - 可以构建更大、更具可扩展性的软件系统

    • 许多驱动程序往往是内核空间

    • - 在开源社区中提问会更容易

    • - 将驱动程序推送到开源社区可能更容易

    4.2 Disadvantages | 缺点

    • 访问驱动程序的系统调用开销

    • - 需要从用户空间切换到内核空间（并返回）

    • - 开销可能是不确定的，会对实时应用程序产生影响

    • 开发人员具有挑战性的学习曲线

    • - 内核 API 与应用程序级 API 不同，因此需要时间才能变得高效

    • 错误可能是致命的，导致内核崩溃

    • 难以调试

    • - 内核代码高度优化，有不同的调试工具

    • 频繁的内核 API 更改

    • - 为一个内核版本构建的内核驱动程序可能无法为另一个版本构建

    5. User Space Device Driver Characteristics | 用户空间驱动的特点

    5.1 Advantages | 优点

    • 由于调试工具更容易获得并且对于正常的应用程序开发来说更常见，因此调试的挑战更小

    • 浮点等用户空间服务可用

    • 设备访问非常有效，因为不需要系统调用

    • Linux的应用API非常稳定

    • 驱动程序可以用任何语言编写，而不仅仅是“C”

    5.2 Disadvantages | 缺点

    • 无法访问内核框架和服务

    • - 连续内存分配、直接缓存控制和 DMA 不可用

    • - 可能必须复制内核代码或使用内核驱动程序来补充

    • 中断处理不能在用户空间完成

    • - 它必须由通知用户空间导致一些延迟的内核驱动程序处理

    • 没有预定义的 API 允许应用程序访问设备驱动程序

    • - 如果多个应用程序访问一个驱动程序，还必须考虑并发性

    6. UIO Framework Features | UIO框架的特性

    • Linux 在 drivers/uio 中提供了两个不同的 UIO 设备驱动程序

    • UIO 驱动程序 (drivers/uio.c)

    • - 对于更高级的用户，因为需要最小的内核空间驱动程序来设置 UIO 框架

    • - 这是最通用的并且可能处理所有情况，因为内核空间驱动程序可以非常自定义

    • - 大部分工作都可以在用户空间驱动程序中完成

    • UIO 平台设备驱动程序 (drivers/uio_pdev_irqgen.c)

    • 此驱动程序增强了 UIO 驱动程序，因此不需要内核空间驱动程序

    • 它为 uio 提供了所需的内核空间驱动程序

    • 它与设备树一起使用，使其易于使用

    • 设备的设备树节点需要使用“通用 uio”在它的兼容

    • 最佳起点，因为不需要内核空间代码

    7. UIO Driver Kernel Configuration | 支持UIO驱动所需要的内核配置

    • UIO 驱动程序必须在 Linux 内核中配置

    1. CONFIG_UIO=y
    2. CONFIG_UIO_PDRV_GENIRQ=y

    8. UIO Platform Device Driver Details | UIO平台服务驱动详解

    • 用户只提供一个用户空间驱动

    • UIO平台设备驱动从设备树配置并注册一个UIO设备

    • 用户空间驱动程序可以直接访问硬件

    • 用户空间驱动程序通过读取 UIO 设备文件描述符获得中断通知

    9. 内核 UIO API - Sys 文件系统

    • 内核中的 UIO 驱动程序在描述 UIO 设备的 sys 文件系统中创建文件属性

    • /sys/class/uio 是所有文件属性的根目录

    • 在 /sys/class/uio 下为每个 UIO 设备创建一个单独的编号目录结构

    • - 第一个 UIO 设备：/sys/class/uio/uio0

    • - /sys/class/uio/uio0/name 包含与 uio_info 结构中的名称相关的设备名称

    • - /sys/class/uio/uio0/maps 是一个包含设备所有内存范围的目录

    • - 每个编号的映射目录都有描述设备内存的属性，包括地址、名称、偏移量和大小

    • /sys/class/uio/uio0/maps/map0

    10. User Space Driver Flow | 用户态驱动工作流程

    • 01 - 内核空间 UIO 设备驱动程序必须在用户空间驱动程序启动之前加载（如果使用模块）

    • 02 - 启动用户空间应用程序并打开 UIO 设备文件（/dev/uioX 其中 X 为 0、1、2 ...）

    • - 从用户空间来看，UIO 设备是文件系统中的一个设备节点，就像任何其他设备一样

    • 03 - 设备内存地址信息从相关的sysfs目录中找到，只需要大小

    • 04 - 通过调用UIO驱动的mmap()函数将设备内存映射到进程地址空间

    • 05 - 应用程序访问设备硬件来控制设备

    • 06 - 通过调用 munmap() 取消映射设备内存

    • 07 - UIO设备文件关闭

    11. User Space Driver Example | 用户态驱动示例

    1. #define UIO_SIZE "/sys/class/uio/uio0/maps/map0/size"
    2.  
    3.  int main( int argc, char ** argv)
    4.  {
    5.          int              uio_fd;
    6.         无符号整数    uio_size;
    7.         文件 *大小_fp;
    8.         无效            *基地址；
    9.  
    10.          /*
    11.           * 1. 打开 UIO 设备，使其可以使用
    12.           */
    13.          uio_fd = open( " /dev/uio0" , O_RDWR);
    14.  
    15.          /*
    16.           * 2. 从大小 sysfs 文件中获取内存区域的大小
    17.           *    属性
    18.           */
    19.          size_fp = fopen(UIO_SIZE, O_RDONLY);
    20.          fscanf(size_fp, " 0x%08X " , & uio_size);
    21.  
    22.          /*
    23.           * 3. 将设备寄存器映射到进程地址空间，以便它们
    24.           *    可直接访问
    25.           */
    26.          base_address =mmap(NULL, uio_size,
    27.                             PROT_READ| PROT_WRITE,
    28.                             MAP_SHARED, uio_fd, 0 );
    29.  
    30.          // 现在可以访问硬件 ...
    31.  
    32.          /*
    33.           * 4. 取消映射设备寄存器以完成
    34.           */
    35.          munmap(base_address, uio_size);
    36.  
    37.          ...
    38. }

    原文链接：https://www.cnblogs.com/vlhn/p/7761869.html 

    更多DPDK学习资料有需要的可以自行添加进入学习交流君 羊 793599096 免费获取，或自行报名学习，免费订阅，永久学习，关注我持续更新哦！！！

    学习地址：http://ke.qq.com/course/5066203?flowToken=1043717

  • 相关阅读:
    pycharm 让控制台里的链接可以点击
    网络安全里主要的岗位有哪些？小白如何快速入门学习黑客？
    AtCoder ABC239G 最小割集
    rgb转hsl，红绿蓝转色调饱和度亮度（颜色转换，c#）
    MyBatis-Plus--多租户插件的用法
    因子分析（SPSS和Python）
    ignite集群
    Docker的网络与容器资源的控制
    Golang string 常用方法
    quarkus依赖注入之一：创建bean
  • 原文地址：https://blog.csdn.net/lingshengxiyou/article/details/126443775