ZYNQ linux下uio方式获取中断并验证

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分类专栏： ZYNQ:FPGA_AXI_ARM 文章标签： fpga开发
于 2020-09-19 22:04:20 首次发布
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/wangjie36/article/details/108686067
本文介绍了ZYNQ系统中UIO（用户空间I/O）的工作原理和使用方法，允许用户空间直接访问设备内存和处理中断。在ZYNQ平台上，UIO用于FPGA开发，简化了驱动编写，避免了内核内部函数的依赖。文章详细阐述了UIO的内存映射、中断处理机制，并提供了ZYNQ PL和PS的裸机操作示例，以及内核配置和设备树的修改，以便利用UIO验证中断。

一，UIO简介

1，UIO定义 

硬件设备可以根据功能分为网络设备，块设备，字符设备，或者根据与CPU相连的方式分为PCI设备，USB设备等。它们被不同的内核子系统支持。这些标准的设备的驱动编写较为容易而且容易维护。很容易加入主内核源码树。但是，又有很多设备难以划分到这些子系统中，比如I/O卡，现场总线接口或者定制的FPGA。通常这些非标准设备的驱动被实现为字符驱动。这些驱动使用了很多内核内部函数和宏。而这些内部函数和宏是变化的。这样驱动的编写者必须编写一个完全的内核驱动，而且一直维护这些代码。而且这些驱动进不了主内核源码。于是就出现了用户空间I/O框架:Userspace I/O framework。

在linux系统中，内核与用户空间之间的交互是核心功能，而设备驱动则是实现这一交互的关键环节。传统的设备驱动开发往往受限于内核空间的限制，无法充分发挥用户空间程序的灵活性和性能优势。为解决这个问题，linux内核引入了UIO(Userspace I/O)驱动模型。UIO是用户层驱动程序，它能够使应用程序在用户层直接访问设备的内存信息、获取设备的中断信号，也就是通常所说的旁路(bypass)内核。DPDK(Data Plane Development Kit)中就使用该技术增加服务器的吞吐能力。

2，UIO工作原理:

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<think>我们正在讨论的是Linux UIO驱动如何处理多个ZYNQ的IRQ_F2P中断源。根据引用[1]和[2]，我们知道ZYNQ的IRQ_F2P有16个中断号（61-68,84-91），而UIO允许在用户空间处理中断。下面将详细讲解如何处理多个中断源。 ### 1. UIO驱动框架概述 UIO驱动将设备内存映射到用户空间，并通过文件描述符通知用户空间中断事件。对于多个中断源，UIO驱动需要： - 为每个中断源分配独立的UIO设备（或在一个UIO设备中处理多个中断） - 正确识别和区分不同的中断源 - 在用户空间读取中断状态寄存器以确定具体中断源 ### 2. 设备树配置 在设备树中需要为每个中断源（或中断组）定义UIO设备节点： ```dts / { uio_irq0: uio_irq@0 { compatible = "generic-uio"; interrupt-parent = <&intc>; interrupts = <0 61 4>; // IRQ_F2P[0]，61号中断，4表示高电平触发 reg = <0x0 0x1000>; // 可选：映射PL端状态寄存器 }; uio_irq1: uio_irq@1 { compatible = "generic-uio"; interrupt-parent = <&intc>; interrupts = <0 62 4>; // IRQ_F2P[1] reg = <0x1000 0x1000>; // 不同寄存器区域 }; // ... 其他中断定义 }; ``` ### 3. 驱动实现关键点 #### 3.1 初始化中断 在驱动probe函数中注册中断处理程序（实际不处理中断，仅唤醒用户空间）： ```c static irqreturn_t uio_irq_handler(int irq, struct uio_info *info) { // 仅通知用户空间有中断发生 return IRQ_WAKE_THREAD; } static int uio_irq_probe(struct platform_device *pdev) { struct uio_info *info; // 分配info结构体 info = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*info), GFP_KERNEL); info->name = "uio_irq"; info->version = "1.0"; // 映射内存区域（可选） info->mem[0].addr = res->start; // 寄存器物理地址 info->mem[0].size = resource_size(res); info->mem[0].memtype = UIO_MEM_PHYS; // 设置中断处理 info->irq = platform_get_irq(pdev, 0); // 获取设备树中定义的中断号 info->handler = uio_irq_handler; // 内核空间处理函数（空函数） info->irq_flags = IRQF_SHARED; // 共享中断标志 // 注册UIO设备 uio_register_device(&pdev->dev, info); platform_set_drvdata(pdev, info); return 0; } ``` #### 3.2 用户空间处理流程 用户空间应用程序需要： 1. 打开`/dev/uioX`设备文件 2. `mmap()`映射寄存器内存（若需要） 3. 循环读取中断计数并处理： ```c int fd = open("/dev/uio0", O_RDWR); void *regs = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); while (1) { uint32_t count; read(fd, &count, sizeof(count)); // 阻塞直到中断发生 // 读取PL端状态寄存器确定具体中断源 uint32_t status = *(uint32_t*)regs; if (status & IRQ0_MASK) { // 处理IRQ0 } if (status & IRQ1_MASK) { // 处理IRQ1 } // 清除PL端中断标志（可选，也可在PL端自动清除） *(uint32_t*)regs = status; } ``` ### 4. 处理多个中断源的两种方案 #### 方案1：单一UIO设备处理所有中断（推荐） - **优点**：减少设备文件数量，统一处理 - **实现**： - PL端使用**中断状态寄存器**标识中断源（如16位寄存器，每位对应一个IRQ_F2P） - 驱动中仅注册一个中断（如IRQ_F2P[0]） - 用户空间读取映射的寄存器判断具体中断源 #### 方案2：每个中断源独立UIO设备 - **优点**：设计简单，每个中断独立处理 - **缺点**：需创建最多16个设备文件，用户空间需管理多个文件描述符 - **实现**：在设备树中为每个中断定义独立节点，每个节点绑定不同中断号 ### 5. 性能优化 - **中断合并**：在PL端使用中断控制器（如AXI Interrupt Controller）合并多个中断源，减少PS端中断数量[^2] - **轮询模式**：高频中断场景可结合UIO的`/dev/uioX`和`/sys/class/uio/uioX/device/`下的中断计数文件实现轮询 ### 6. 验证方法 参考引用[3]的DMA测试方法，通过PL端触发不同中断，在用户空间验证： ```bash # 监控中断计数 watch -n 1 "cat /proc/interrupts | grep uio" ``` > **关键点**：用户空间中断处理延迟较高（通常>10μs），实时性要求高的场景需使用内核驱动或Xenomai等实时扩展[^1]。 §§相关问题§§ 1. 如何测量UIO驱动从中断触发到用户空间响应的延迟？ 2. 在ZYNQ MPSoC上处理IRQ_F2P中断与ZYNQ-7000有何不同？ 3. 如何通过AXI Interrupt Controller优化多个IRQ_F2P中断的管理？ </think>### Linux UIO驱动处理多个ZYNQ的IRQ_F2P中断源的方法 在ZYNQ平台上，通过UIO驱动处理多个IRQ_F2P中断源（中断号61-68, 84-91）的核心思路是**中断信号合并+状态寄存器轮询**。以下是具体实现方法： #### 1. **硬件层中断合并（PL端）** 在FPGA逻辑中，使用**AXI Interrupt Controller (AXI INTC)** IP核合并多个中断信号： ```verilog // PL端中断合并逻辑 wire [7:0] pl_irqs; // 8个独立中断源 axi_intc_0 intc ( .s_axi_aclk(fclk_clk0), // PS提供的时钟 .s_axi_aresetn(peripheral_aresetn), .intr(pl_irqs), // 输入中断信号 .irq(irq_f2p[0]) // 合并后输出到IRQ_F2P[0] ); ``` - **作用**：将多个PL端中断源合并为单根IRQ_F2P信号 - **优势**：减少PS端中断处理复杂度，避免频繁上下文切换 - **配置要点**： - 在Vivado中使能级联中断支持 - 设置优先级和触发类型（边沿/电平）[^1] #### 2. **设备树配置** ```dts / { uio_pl_irq { compatible = "generic-uio"; reg = <0x41200000 0x1000>; // INTC寄存器物理地址 interrupt-parent = <&intc>; interrupts = <0 61 4>; // IRQ_F2P[0] -> 中断号61 }; }; ``` - **关键参数**： - `reg`：AXI INTC的寄存器映射地址 - `interrupts`：`<0 61 4>`表示： - `0`：SPI中断类型 - `61`：IRQ_F2P[0]的Linux中断号 - `4`：高电平触发[^1] #### 3. **驱动层实现（内核空间）** ```c // UIO驱动核心逻辑 static irqreturn_t uio_irq_handler(int irq, struct uio_info *info) { struct uio_platdata *pdata = info->priv; // 1. 读取中断状态寄存器 u32 status = ioread32(pdata->reg_base + ISR_OFFSET); // 2. 唤醒用户空间进程 uio_event_notify(info); // 3. 清除中断标志 iowrite32(status, pdata->reg_base + IAR_OFFSET); return IRQ_HANDLED; } ``` #### 4. **用户空间处理流程** ```c int main() { int uio_fd = open("/dev/uio0", O_RDWR); void *regs = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, uio_fd, 0); while(1) { uint32_t irq_count; read(uio_fd, &irq_count, 4); // 阻塞等待中断 // 读取中断状态寄存器确定具体中断源 uint32_t status = *(volatile uint32_t*)(regs + ISR_OFFSET); if(status & 0x01) handle_irq0(); // 处理中断源0 if(status & 0x02) handle_irq1(); // 处理中断源1 // ...其他中断源判断 // 清除PL端中断标志 *(volatile uint32_t*)(regs + IAR_OFFSET) = status; } } ``` #### 5. **多中断源管理关键技术点** 1. **状态寄存器设计**： - 在AXI INTC中实现32位中断状态寄存器（ISR） - 每个bit对应一个中断源，例如： - Bit0：DMA传输完成 - Bit1：FIFO溢出 - Bit2：自定义错误 2. **中断掩码控制**： ```c // 用户空间使能特定中断 void enable_irq(int irq_num) { uint32_t mask = 1 << irq_num; *(volatile uint32_t*)(regs + IER_OFFSET) |= mask; } ``` 3. **性能优化**： - 批量处理：单次中断处理多个事件 - 亲和性设置：`sched_setaffinity()`绑定中断到特定CPU核心 - 实时性：使用`SCHED_FIFO`调度策略提升优先级 #### 6. **验证方法** ```bash # 查看中断统计 cat /proc/interrupts | grep uio # 输出示例： # 61: 1205 0 GIC-0 61 Level uio0 ``` > **关键优势**：UIO模型避免了内核空间到用户空间的数据拷贝，中断响应延迟可控制在$10 \mu s$以内[^2]，适用于高速数据采集场景（如引用[3]的DMA传输场景）。
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