使用Linux UIO框架實現(xiàn)ARM和FPGA的高效通信

應(yīng)用背景

在 ARM 和 FPGA 之間通信的通信過程中，通信開始或者完成時，需要實時通知對方，如果 ARM 使用類似 while (1) 循環(huán)進行反復(fù)查看標(biāo)志位，會造成 CPU 空轉(zhuǎn)，影響工作效率。如果使用中斷加內(nèi)核驅(qū)動的方式，雖然可以提高效率，但這對開發(fā)驅(qū)動的工程師有較高的技術(shù)要求，因為內(nèi)核驅(qū)動運行在內(nèi)核態(tài)，一旦出現(xiàn)錯誤，可能會造成整個內(nèi)核的崩潰，因此需要一種既高效又不依賴復(fù)雜內(nèi)核驅(qū)動的解決方案。

UIO 簡介

UIO (Userspace I/O) 是運行在用戶空間的 I/O 技術(shù)，Linux 系統(tǒng)中一般的驅(qū)動設(shè)備都是運行在內(nèi)核空間，應(yīng)用程序在用戶空間調(diào)用即可。UIO 則是將驅(qū)動的小部分運行在內(nèi)核空間，在用戶空間實現(xiàn)驅(qū)動的絕大多數(shù)功能，使用 UIO 可以避免設(shè)備的驅(qū)動程序需要隨著內(nèi)核的更新而更新的問題。

相比傳統(tǒng)內(nèi)核態(tài)驅(qū)動，UIO 的優(yōu)勢包括：

簡化了驅(qū)動開發(fā)流程，降低了內(nèi)核崩潰的風(fēng)險

避免了因內(nèi)核版本更新而需要同步更新驅(qū)動的問題

支持用戶空間直接訪問硬件，提高開發(fā)靈活性和效率

圖1 UIO 驅(qū)動的內(nèi)核部分、用戶空間部分和 UIO 框架以及內(nèi)核的關(guān)系

實現(xiàn)方案及步驟

配置內(nèi)核設(shè)備樹

首先對設(shè)備樹節(jié)點進行修改，將設(shè)備的 compatible 屬性設(shè)置為 generic-uio，以加載通用 UIO 驅(qū)動，如下圖 (圖2) 所示：

圖2 將設(shè)備的 compatible 屬性設(shè)置為 generic-uio

配置內(nèi)核

Linux 內(nèi)核中已有 UIO 驅(qū)動，但是我們需要使能，才能在內(nèi)核啟動。根據(jù)內(nèi)核設(shè)備樹，加載相應(yīng)的驅(qū)動。具體的內(nèi)核增加的配置，參考下圖 (圖3)：

圖3 增加的內(nèi)核驅(qū)動配置

應(yīng)用層使用

下圖 (圖4) 為大家提供一套相對完整的參考代碼：

圖4 應(yīng)用層使用參考代碼

說明

在步驟 3 中，read 為阻塞讀。設(shè)備沒有讀到數(shù)值，該線程進入阻塞態(tài)。待時機合適，立馬進入運行態(tài)。在進入阻塞態(tài)，釋放處理器的占用。待有數(shù)值以后，處理器立馬進入運行態(tài)，如此即可高效完成工作任務(wù)。

UIO 框架說明

Linux UIO 框架的代碼位于內(nèi)核源碼 drivers/uio/uio.c。Linux UIO 框架也會調(diào)用內(nèi)核提供的其他 API 接口函數(shù)。通過一個設(shè)備文件和幾個 sysfs 屬性文件訪問 UIO 設(shè)備。第一個設(shè)備的設(shè)備文件被稱為 /dev/uio0，后續(xù)的設(shè)備被稱為 /dev/uio1、/dev/uio2 等。

中斷是通過讀取 /dev/uioX 來處理的。一旦中斷發(fā)生，來自 /dev/uioX 的 blocking read () 將立即返回。除此以外，也可以在 /dev/uioX 上使用 select() 來等待中斷。從 /dev/uioX 讀取的整數(shù)值表示總的中斷數(shù)，可以使用這個數(shù)來計算是否錯過了一些中斷。

優(yōu)勢與總結(jié)

使用 UIO 框架實現(xiàn) ARM 和 FPGA 的高效通信，不僅減少了 CPU 的資源占用，還降低了開發(fā)門檻，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過用戶空間完成大部分驅(qū)動邏輯，既實現(xiàn)了高效中斷處理，又簡化了驅(qū)動維護，是一種高效可靠的通信方案。

本文主要介紹如何通過 UIO 技術(shù)，在 ARM 與 FPGA 通信中利用用戶態(tài)實現(xiàn)高效中斷處理，避免內(nèi)核驅(qū)動的復(fù)雜性和風(fēng)險。