[Linux] User I/O

今更ながら User I/O (UIO) を使ってみました.UIO は 2.6.23-rc1 で kernel に merge された機能で,ドライバモジュールを書くことなくハードウェア資源を userland からアクセスできる手段を提供します.

I/O にアクセスするだけなら /dev/mem を mmap すれば実現できますが,アドレスが制限されないため安全性が担保できません.UIO では予め使用する領域を定義するとともに,割込み応答もできるようになります.

UIO を利用可能にするには,下記の1行目の CONFIG を有効にします.さらに 2行目の CONFIG を有効にすることで,platform driver として扱うことができ,device tree で I/O 領域や割込みが定義できるようになります(もちろん CONFIG_OF=y が必要).CONFIG_UIO_PDRV_GENIRQ を ”m” にしているのは,ユーザが I/O を使い始めるタイミングを userland から制御できるようにするためです.

CONFIG_UIO=y
CONFIG_UIO_PDRV_GENIRQ=m

device tree には次のようなノードを追加します.reg には使用したい I/O アドレスを page 単位で指定します.これは page 単位(default は 4KB)である必要があります.この領域は例では2つ定義していますが,ノードごとに 5 つまで指定できます.interrupts はノードに対して割込み番号を 1つだけ指定できます.
※ interrupts の数値の意味はアーキテクチャにより異なります.ARM GIC では 0 は SPI, 100 は物理割込み番号の32を引いた値,4はレベル割込みを表します.

/{
        uio {
                compatible = "generic-uio", "myuio";
                reg = <0x40000000 0x1000>,<0x41000000 0x1000>;
                interrupts = <0 100 4>;
        };
};

UIO のノードを1つ作成すると,対応するデバイスファイル(/dev/uioX)が1つできます.マイナー番号は昇順に振られるため,複数のノードを作成するとuio0から順にデバイスファイルが対応付けられます.それぞれのデバイスファイルを制御することでノードごとに定義した割込みを同時に扱うことができます.

ターゲット上では modprobe (insmod) でドライバを有効にしますが,その際に引数に devicetree で定義した compatible 文字列を指定します.これで定義した I/O 領域や割込みが取り込まれ,デバイスファイルが作成されます.

# modprobe uio_pdrv_genirq.ko of_id=myuio

ユーザプログラムでは通常のドライバと同様にデバイスファイルを open した後,mmap すれば device tree で定義した I/O 領域へのアクセスが可能になります.mmap で指定する offset は page 単位で連続した相対アドレスです.例では,上記 0x40000000 が base1,0x41000000 が base2 に にマップされます.

void main()
{
        int fd;
        void __iomem *base1, *base2;

        fd = open("/dev/uio0", O_RDWR);
        base1 = mmap(NULL, PAGE_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
        base2 = mmap(NULL, PAGE_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 1 * PAGE_SIZE);
        ...
        munmap(base2);
        munmap(base1);
        close(fd);
}

割込みを待つ場合は,まず割込みを許可するためにデバイスファイルに 1 を書き込みます.その後,read() を呼ぶと割込みが入るまでブロックします.再度割込みを待つ場合は再びデバイスファイルに 1 を書いて割込みを許可します.タイムアウトを追加したい場合は,ppoll() で待って read() で読み出す処理を行うことで実現できます.

void main()
{
        int fd, irqsw, count;
        fd = open("/dev/uio0", O_RDWR);

        irqsw = 1;
        write(fd, &irqsw, sizeof(irqsw)); /* enable interrupt */
        ...
        read(fd, &count, sizeof(count)); /* wait for interrupt */
        ...
        irqsw = 0;
        write(fd, &irqsw, sizeof(irqsw));  /* disable interrupt */
        close(fd);
}

ドライバを作る前に I/O を直接操作して動作を確かめたい場合や,ドライバを作るまでもないHardware制御を行いたいときに,UIO を使うと手軽に実現できます.また,諸事情により公開が難しい Proprietary Driver を作成せざるを得ない場合でも,UIO を使うことで  userland 上に実現することが可能です.


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