應用背景

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) 循環進行反復查看標志位，會造成 CPU 空轉，影響工作效率。如果使用中斷加內核驅動的方式，雖然可以提高效率，但這對開發驅動的工程師有較高的技術要求，因為內核驅動運行在內核態，一旦出現錯誤，可能會造成整個內核的崩潰，因此需要一種既高效又不依賴復雜內核驅動的解決方案。

UIO 簡介

UIO (Userspace I/O) 是運行在用戶空間的 I/O 技術，Linux 系統中一般的驅動設備都是運行在內核空間，應用程序在用戶空間調用即可。UIO 則是將驅動的小部分運行在內核空間，在用戶空間實現驅動的絕大多數功能，使用 UIO 可以避免設備的驅動程序需要隨著內核的更新而更新的問題。

相比傳統內核態驅動，UIO 的優勢包括：

簡化了驅動開發流程，降低了內核崩潰的風險

避免了因內核版本更新而需要同步更新驅動的問題

支持用戶空間直接訪問硬件，提高開發靈活性和效率

圖1 UIO 驅動的內核部分、用戶空間部分和 UIO 框架以及內核的關系

實現方案及步驟

配置內核設備樹

首先對設備樹節點進行修改，將設備的 compatible 屬性設置為 generic-uio，以加載通用 UIO 驅動，如下圖 (圖2) 所示：

圖2 將設備的 compatible 屬性設置為 generic-uio

配置內核

Linux 內核中已有 UIO 驅動，但是我們需要使能，才能在內核啟動。根據內核設備樹，加載相應的驅動。具體的內核增加的配置，參考下圖 (圖3)：

圖3 增加的內核驅動配置

應用層使用

下圖 (圖4) 為大家提供一套相對完整的參考代碼：

圖4 應用層使用參考代碼

說明

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

UIO 框架說明

Linux UIO 框架的代碼位于內核源碼 drivers/uio/uio.c。Linux UIO 框架也會調用內核提供的其他 API 接口函數。通過一個設備文件和幾個 sysfs 屬性文件訪問 UIO 設備。第一個設備的設備文件被稱為 /dev/uio0，后續的設備被稱為 /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 讀取的整數值表示總的中斷數，可以使用這個數來計算是否錯過了一些中斷。

優勢與總結

使用 UIO 框架實現 ARM 和 FPGA 的高效通信，不僅減少了 CPU 的資源占用，還降低了開發門檻，提升了系統穩定性。通過用戶空間完成大部分驅動邏輯，既實現了高效中斷處理，又簡化了驅動維護，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，在 ARM 與 FPGA 通信中利用用戶態實現高效中斷處理，避免內核驅動的復雜性和風險。