==================================================
5.28 Пользовательский I/O (UIO) в Linux
==================================================

Введение
--------

UIO (User-defined I/O) — это инфраструктура Linux, предназначенная для упрощения создания драйверов устройств в пространстве пользователя.  
Она предоставляет минимальную поддержку со стороны ядра, позволяя основную логику взаимодействия с оборудованием реализовать **в user space**.

UIO особенно полезен, когда:
- Устройство не требует сложной логики в прерываниях
- Достаточно прямого доступа к регистрам через память (mmap)
- Требуется быстрая отладка, без пересборки ядра

---

Архитектура
------------

UIO состоит из двух частей:

1. **Ядровая часть**:
   - Упрощённый драйвер (`uio_pdrv_genirq`, `uio_platform`)
   - Регистрирует устройство `/dev/uioX`
   - Предоставляет mmap-доступ к регистрам и интерфейс прерываний

2. **Пользовательская часть**:
   - Программа на C, Python или любом другом языке
   - Открывает `/dev/uioX`, мапит память, обрабатывает события

---

Преимущества и ограничения
==========================

Преимущества:

-  Простой доступ к I/O-регистрам через mmap
-  Отладка средствами user space (gdb, valgrind, printf)
-  Нет необходимости писать полноценный драйвер ядра
-  Возможность реализации на любом языке (не только C)
-  Позволяет обрабатывать простые прерывания через `read()`

Ограничения:

-  Нет доступа к подсистемам ядра (I2C, SPI, DRM и др.)
-  Обработка прерываний ограничена (только уведомление)
-  Ответственность за безопасность и синхронизацию — на приложении

---

Регистрация устройства
----------------------

Пример через Device Tree:

.. code-block:: dts

    mydevice@0x10000000 {
        compatible = "generic-uio";
        reg = <0x10000000 0x1000>;
        interrupt-parent = <&gpio>;
        interrupts = <42 0>;
    };

Пример в коде ядра:

.. code-block:: c

    struct resource res[] = {
        {
            .start = 0x10000000,
            .end   = 0x10000FFF,
            .flags = IORESOURCE_MEM,
        },
    };

    platform_device_register_simple("uio_pdrv_genirq", -1, res, 1);

---

Работа с UIO из пространства пользователя
------------------------------------------

Пример на C:

.. code-block:: c

    int fd = open("/dev/uio0", O_RDWR);
    void *map = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

    // Чтение/запись регистра
    uint32_t val = *((volatile uint32_t *)map + 0);
    *((volatile uint32_t *)map + 0) = 0x01;

    // Ожидание прерывания
    uint32_t irqcount;
    read(fd, &irqcount, sizeof(irqcount));

---

Интерфейсы
-----------

После загрузки UIO-драйвера создаются:

**Устройство:**

.. code-block:: shell

    /dev/uio0

**Sysfs:**

.. code-block:: shell

    /sys/class/uio/uio0/
    ├── maps/map0/addr
    ├── maps/map0/size
    ├── name
    └── version

---

Когда использовать UIO
-----------------------

UIO — хороший выбор, если:

- Устройство предоставляет прямой доступ к регистрам
- Требуется быстрая реализация и отладка
- Прерывания можно обрабатывать просто (уведомление, не логика)
- Нет необходимости в глубокой интеграции с подсистемами ядра

---

Сравнение UIO и Platform Driver
--------------------------------

.. list-table:: Сравнение UIO и Platform Driver
   :widths: 25 35 35
   :header-rows: 1

   * - Характеристика
     - UIO (User-space I/O)
     - Platform Driver (в пространстве ядра)
   * - Простота разработки
     - Очень высокая (пишется как обычное приложение)
     - Средняя/низкая (требует знания API ядра)
   * - Прямой доступ к регистрам
     - Да, через `mmap`
     - Да, через `ioremap`
   * - Обработка прерываний
     - Только уведомление через `read()`
     - Полная логика внутри IRQ handler
   * - Безопасность и синхронизация
     - На ответственности приложения
     - Контролируется ядром
   * - Поддержка подсистем
     - Нет
     - Полная (I2C, SPI, GPIO, LED, DMA, и др.)
   * - Отладка
     - Простая (`gdb`, `valgrind`, `printf`)
     - Сложнее (`printk`, `dmesg`, `kprobe`)
   * - Языки разработки
     - Любые (C, Python, Rust и др.)
     - Только C (ядровый стиль)
   * - Применение
     - Прототипирование, FPGA, простые устройства
     - Интеграция с системными шинами, сложные драйверы

---

Заключение
-----------

UIO позволяет реализовать драйверы для простых устройств в user space, существенно упрощая разработку, отладку и поддержку.  
Это особенно полезно при работе с самодельным оборудованием, отладочными платами, FPGA, а также в образовательных и экспериментальных целях.

Если вам не требуется использовать возможности подсистем ядра, UIO — это простой и надёжный путь к созданию пользовательских драйверов в Linux.