序⾔
设备驱动可以运⾏在内核态，也可以运⾏在⽤户态，不管⽤户态驱动还是内核态驱动，他们都有各⾃的缺点。内核态驱动的问题是：系统调⽤开销⼤；学习曲线陡峭；接⼝稳定性差；调试困难；bug致命；编程语⾔选择受限；⽽⽤户态驱动⾯临的挑战是：如何中断处理；如何DMA；如何管理设备的依赖关系；⽆法使⽤内核服务等。对此，《》 ⼀⽂有较详细描述。 可能是为了性能优化，或者为了故障隔离，或者为了逃避开源许可证的约束，不管是基于何种⽬的，linux已有多种⽤户态驱动的实现，如UIO，VFIO、USB⽤户态驱动等。它们在处理中断、DMA、设备依赖管理等⽅⾯的设计⽅案和实现细节上各有千秋，这是《User-Space Device Drivers in Linux: A First Look》 没有提到的，也是本⽂的重点。
UIO
UIO 框架导出sysfs和/dev/uioX 2套⽤户态接⼝，⽤户对设备节点/dev/uioX进⾏设备控制，mmap()接⼝⽤于映射设备寄存器空
另眼看羽球间，write()接⼝⽤于控制中断关闭/打开，read()接⼝⽤于等待⼀个设备中断。
因为对于设备中断的应答必须在内核空间进⾏，所以在内核空间有⼀⼩部分代码⽤来应答中断和禁⽌中断，其余的⼯作全部留给⽤户空间处理。如果⽤户空间要等待⼀个设备中断，它只需要简单的阻塞在对 /dev/uioX的read()操作上。 当设备产⽣中断时，read()操作⽴即返回。UIO 也实现了poll()系统调⽤，你可以使⽤ select()来等待中断的发⽣。select()有⼀个超时参数可以⽤来实现有限时间内等待中断。
UIO的⼏个特点：
冠东集装箱码头⼀个UIO设备最多⽀持5个mem和portio空间mmap映射。
UIO设备的中断⽤户态通信机制基于wait_queue实现。
⼀个UIO设备只⽀持⼀个中断号注册，⽀持中断共享。
总的来说，UIO框架适⽤于简单设备的驱动，因为它不⽀持DMA，不能⽀持多个中断线，缺乏逻辑设备抽象能⼒。
IOMMU
李维淼
这⾥IOMMU是指位于北桥上的IOMMU，那种设备⾃带IOMMU的情况我还不了解。
在没有IOMMU的情况下，设备（指32bit或64bit设备，⽼的16bit的不提）的DMA操作可以访问整个物理地址空间，所以理论上设备可以向操作系统的代码段、数据段等内存区域做DMA，从⽽破坏整个系统。当然，通常来说不会有这样的设备。IOMMU的出现，可以实现地址空间上的隔离，使设备只能访问规定的内存区域。下⾯简要说⼀下intel的IOMMU怎么做到这点的：
⽬前PC架构最多有256PCI总线，于是IOMMU⽤⼀个称为root entry的数据结构描述PCI总线，总共256个root entry构成⼀张表。每条PCI总线最多允许256个设备，IOMMU⽤context entry描述⼀个PCI设备（或者是PCI桥），256个context entry构成⼀张表。所以就有了如图的关系。我们知道，PCI设
陶相礼
备⽤ {BUSEV:FUNC}（当然，还有个segment，不过似乎PC架构都只有⼀个segment，这个暂时忽略）描述⼀个设备。所以对于⼀个特定设备，⽤bus号做索引root entry表，⽤dev号索引context entry表可以到描述该设备的的context entry。context entry中有⼀个指针指向⼀章I/O页表，当设备发起DMA操作时，IOMMU会根据该页表把设备的DMA地址转换成该设备可以访问内存区域的地址。
所以只要为设备建⼀张I/O页表，就可以使设备只能访问规定的内存区域了。当然，也可以把该页表当成跳板，让只能寻址32bit地址空间的设备访问到64bit地址空间中去。
VFIO
胡德利
上⽂提到，UIO不⽀持DMA，所以通过DMA传输⼤流量数据的IO设备，如⽹卡、显卡等设备，⽆法使⽤UIO框架，VFIO做为UIO的升级版，主要就是解决了这个问题。通过⽤户态配置IOMMU接⼝，可以将DMA地址空间映射限制在进程虚拟空间中。这对⾼性能驱动和虚拟化场景device passthrough尤其重要。
在VFIO框架中，有⼏个核⼼概念或对象：IOMMU、/dev/vfio、container、iommu_group。
IOMMU是⼀个硬件单元，它可以把设备的IO地址映射成虚拟地址，为设备提供页表映射，设备通过IOMMU将数据直接DMA写到⽤户空间。之所以不共⽤MMU单元，是为了保证和进程的页表相互独⽴，防⽌设备访问进程的任意地址空间。所以VFIO的IOMMU功能保障了安全的⾮特权级别的⽤户态设备驱动机制。
/dev/vfio是⼀个设备⽂件，作为⼀个IOMMU设备的⽤户态呈现。
container是内核对象，表⽰⼀个IOMMU设备，是⼀个IOMMU设备的内核态呈现。所以在VFIO中，container是IOMMU操作的最⼩对象。
在虚拟化场景下，⼀个物理⽹卡可能要虚拟成⼏个虚拟⽹卡，或者说虚拟功能设备（VF），这⼏个VF共⽤⼀个IOMMU，所以VFIO模型增加⼀个iommu_group的概念，⽤来表⽰共享同⼀个IOMMU的⼀组device。
VFIO的⼏个特点：
VFIO设备⽀持多中断号注册。
设备的中断⽤户态通信机制基于eventfd/irqfd实现。⽤户通过/dev/vfio设备select/poll/epoll，从⽽实现中断从内核态到⽤户态的异步事件通知。
⽀持对物理设备进⾏逻辑抽象。
仅⽀持pci intx中断共享，其他类型中断不⽀持共享。
VFIO仅⽀持特定IOMMU设备，如x86与PowerPC平台的PCI设备和ARM平台的platform设备。
USB⽤户态驱动春藕斋
usbfs(USB file system)提供了⼀些在⽤户空间下操作USB设备的函数接⼝和数据结构, 在开发⽤户态驱动时, 可以直接利⽤这些函数接⼝来实现对 USB 设备的控制和数据传输。
libusb对usb file system提供的函数接⼝和数据结构进⾏了封装, 可以有效减少程序中函数和数据结构使⽤不当造成的错误。Libusb 对USB 设备的访问提供了两种机制, 同步访问和异步访问。
khubd是内核后台线程，⽤来管理监视USB HUB的状态, ⼀旦发⽣热插拔就会唤醒这个线程, 进⽽添加或者移除设备，并发送netlink消息传递给⽤户态空间。
USB ⽤户态驱动框架的⼏个特点：
设备的中断⽤户态通信机制基于netlink实现。
USB设备以usbdevfs（后改名为usbfs）⽂件系统的形式（如/proc/bus/usb/BBB/DDD）对⽤户态呈现。
对usb的所有访问通过usbfs ioctl实现，如control transfer, bulk transfer, reset等。
仅⽀持USB设备
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