Merge branch 'master' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6
[pandora-kernel.git] / Documentation / DocBook / uio-howto.tmpl
1 <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
2 <!DOCTYPE book PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.2//EN"
3 "http://www.oasis-open.org/docbook/xml/4.2/docbookx.dtd" []>
4
5 <book id="index">
6 <bookinfo>
7 <title>The Userspace I/O HOWTO</title>
8
9 <author>
10       <firstname>Hans-Jürgen</firstname>
11       <surname>Koch</surname>
12       <authorblurb><para>Linux developer, Linutronix</para></authorblurb>
13         <affiliation>
14         <orgname>
15                 <ulink url="http://www.linutronix.de">Linutronix</ulink>
16         </orgname>
17
18         <address>
19            <email>hjk@linutronix.de</email>
20         </address>
21     </affiliation>
22 </author>
23
24 <pubdate>2006-12-11</pubdate>
25
26 <abstract>
27         <para>This HOWTO describes concept and usage of Linux kernel's
28                 Userspace I/O system.</para>
29 </abstract>
30
31 <revhistory>
32         <revision>
33         <revnumber>0.3</revnumber>
34         <date>2007-04-29</date>
35         <authorinitials>hjk</authorinitials>
36         <revremark>Added section about userspace drivers.</revremark>
37         </revision>
38         <revision>
39         <revnumber>0.2</revnumber>
40         <date>2007-02-13</date>
41         <authorinitials>hjk</authorinitials>
42         <revremark>Update after multiple mappings were added.</revremark>
43         </revision>
44         <revision>
45         <revnumber>0.1</revnumber>
46         <date>2006-12-11</date>
47         <authorinitials>hjk</authorinitials>
48         <revremark>First draft.</revremark>
49         </revision>
50 </revhistory>
51 </bookinfo>
52
53 <chapter id="aboutthisdoc">
54 <?dbhtml filename="about.html"?>
55 <title>About this document</title>
56
57 <sect1 id="copyright">
58 <?dbhtml filename="copyright.html"?>
59 <title>Copyright and License</title>
60 <para>
61       Copyright (c) 2006 by Hans-Jürgen Koch.</para>
62 <para>
63 This documentation is Free Software licensed under the terms of the
64 GPL version 2.
65 </para>
66 </sect1>
67
68 <sect1 id="translations">
69 <?dbhtml filename="translations.html"?>
70 <title>Translations</title>
71
72 <para>If you know of any translations for this document, or you are
73 interested in translating it, please email me
74 <email>hjk@linutronix.de</email>.
75 </para>
76 </sect1>
77
78 <sect1 id="preface">
79 <title>Preface</title>
80         <para>
81         For many types of devices, creating a Linux kernel driver is
82         overkill.  All that is really needed is some way to handle an
83         interrupt and provide access to the memory space of the
84         device.  The logic of controlling the device does not
85         necessarily have to be within the kernel, as the device does
86         not need to take advantage of any of other resources that the
87         kernel provides.  One such common class of devices that are
88         like this are for industrial I/O cards.
89         </para>
90         <para>
91         To address this situation, the userspace I/O system (UIO) was
92         designed.  For typical industrial I/O cards, only a very small
93         kernel module is needed. The main part of the driver will run in
94         user space. This simplifies development and reduces the risk of
95         serious bugs within a kernel module.
96         </para>
97 </sect1>
98
99 <sect1 id="thanks">
100 <title>Acknowledgments</title>
101         <para>I'd like to thank Thomas Gleixner and Benedikt Spranger of
102         Linutronix, who have not only written most of the UIO code, but also
103         helped greatly writing this HOWTO by giving me all kinds of background
104         information.</para>
105 </sect1>
106
107 <sect1 id="feedback">
108 <title>Feedback</title>
109         <para>Find something wrong with this document? (Or perhaps something
110         right?) I would love to hear from you. Please email me at
111         <email>hjk@linutronix.de</email>.</para>
112 </sect1>
113 </chapter>
114
115 <chapter id="about">
116 <?dbhtml filename="about.html"?>
117 <title>About UIO</title>
118
119 <para>If you use UIO for your card's driver, here's what you get:</para>
120
121 <itemizedlist>
122 <listitem>
123         <para>only one small kernel module to write and maintain.</para>
124 </listitem>
125 <listitem>
126         <para>develop the main part of your driver in user space,
127         with all the tools and libraries you're used to.</para>
128 </listitem>
129 <listitem>
130         <para>bugs in your driver won't crash the kernel.</para>
131 </listitem>
132 <listitem>
133         <para>updates of your driver can take place without recompiling
134         the kernel.</para>
135 </listitem>
136 <listitem>
137         <para>if you need to keep some parts of your driver closed source,
138         you can do so without violating the GPL license on the kernel.</para>
139 </listitem>
140 </itemizedlist>
141
142 <sect1 id="how_uio_works">
143 <title>How UIO works</title>
144         <para>
145         Each UIO device is accessed through a device file and several
146         sysfs attribute files. The device file will be called
147         <filename>/dev/uio0</filename> for the first device, and
148         <filename>/dev/uio1</filename>, <filename>/dev/uio2</filename>
149         and so on for subsequent devices.
150         </para>
151
152         <para><filename>/dev/uioX</filename> is used to access the
153         address space of the card. Just use
154         <function>mmap()</function> to access registers or RAM
155         locations of your card.
156         </para>
157
158         <para>
159         Interrupts are handled by reading from
160         <filename>/dev/uioX</filename>. A blocking
161         <function>read()</function> from
162         <filename>/dev/uioX</filename> will return as soon as an
163         interrupt occurs. You can also use
164         <function>select()</function> on
165         <filename>/dev/uioX</filename> to wait for an interrupt. The
166         integer value read from <filename>/dev/uioX</filename>
167         represents the total interrupt count. You can use this number
168         to figure out if you missed some interrupts.
169         </para>
170
171         <para>
172         To handle interrupts properly, your custom kernel module can
173         provide its own interrupt handler. It will automatically be
174         called by the built-in handler.
175         </para>
176
177         <para>
178         For cards that don't generate interrupts but need to be
179         polled, there is the possibility to set up a timer that
180         triggers the interrupt handler at configurable time intervals.
181         See <filename>drivers/uio/uio_dummy.c</filename> for an
182         example of this technique.
183         </para>
184
185         <para>
186         Each driver provides attributes that are used to read or write
187         variables. These attributes are accessible through sysfs
188         files.  A custom kernel driver module can add its own
189         attributes to the device owned by the uio driver, but not added
190         to the UIO device itself at this time.  This might change in the
191         future if it would be found to be useful.
192         </para>
193
194         <para>
195         The following standard attributes are provided by the UIO
196         framework:
197         </para>
198 <itemizedlist>
199 <listitem>
200         <para>
201         <filename>name</filename>: The name of your device. It is
202         recommended to use the name of your kernel module for this.
203         </para>
204 </listitem>
205 <listitem>
206         <para>
207         <filename>version</filename>: A version string defined by your
208         driver. This allows the user space part of your driver to deal
209         with different versions of the kernel module.
210         </para>
211 </listitem>
212 <listitem>
213         <para>
214         <filename>event</filename>: The total number of interrupts
215         handled by the driver since the last time the device node was
216         read.
217         </para>
218 </listitem>
219 </itemizedlist>
220 <para>
221         These attributes appear under the
222         <filename>/sys/class/uio/uioX</filename> directory.  Please
223         note that this directory might be a symlink, and not a real
224         directory.  Any userspace code that accesses it must be able
225         to handle this.
226 </para>
227 <para>
228         Each UIO device can make one or more memory regions available for
229         memory mapping. This is necessary because some industrial I/O cards
230         require access to more than one PCI memory region in a driver.
231 </para>
232 <para>
233         Each mapping has its own directory in sysfs, the first mapping
234         appears as <filename>/sys/class/uio/uioX/maps/map0/</filename>.
235         Subsequent mappings create directories <filename>map1/</filename>,
236         <filename>map2/</filename>, and so on. These directories will only
237         appear if the size of the mapping is not 0.
238 </para>
239 <para>
240         Each <filename>mapX/</filename> directory contains two read-only files
241         that show start address and size of the memory:
242 </para>
243 <itemizedlist>
244 <listitem>
245         <para>
246         <filename>addr</filename>: The address of memory that can be mapped.
247         </para>
248 </listitem>
249 <listitem>
250         <para>
251         <filename>size</filename>: The size, in bytes, of the memory
252         pointed to by addr.
253         </para>
254 </listitem>
255 </itemizedlist>
256
257 <para>
258         From userspace, the different mappings are distinguished by adjusting
259         the <varname>offset</varname> parameter of the
260         <function>mmap()</function> call. To map the memory of mapping N, you
261         have to use N times the page size as your offset:
262 </para>
263 <programlisting format="linespecific">
264 offset = N * getpagesize();
265 </programlisting>
266
267 </sect1>
268 </chapter>
269
270 <chapter id="using-uio_dummy" xreflabel="Using uio_dummy">
271 <?dbhtml filename="using-uio_dummy.html"?>
272 <title>Using uio_dummy</title>
273         <para>
274         Well, there is no real use for uio_dummy. Its only purpose is
275         to test most parts of the UIO system (everything except
276         hardware interrupts), and to serve as an example for the
277         kernel module that you will have to write yourself.
278         </para>
279
280 <sect1 id="what_uio_dummy_does">
281 <title>What uio_dummy does</title>
282         <para>
283         The kernel module <filename>uio_dummy.ko</filename> creates a
284         device that uses a timer to generate periodic interrupts. The
285         interrupt handler does nothing but increment a counter. The
286         driver adds two custom attributes, <varname>count</varname>
287         and <varname>freq</varname>, that appear under
288         <filename>/sys/devices/platform/uio_dummy/</filename>.
289         </para>
290
291         <para>
292         The attribute <varname>count</varname> can be read and
293         written.  The associated file
294         <filename>/sys/devices/platform/uio_dummy/count</filename>
295         appears as a normal text file and contains the total number of
296         timer interrupts. If you look at it (e.g. using
297         <function>cat</function>), you'll notice it is slowly counting
298         up.
299         </para>
300
301         <para>
302         The attribute <varname>freq</varname> can be read and written.
303         The content of
304         <filename>/sys/devices/platform/uio_dummy/freq</filename>
305         represents the number of system timer ticks between two timer
306         interrupts. The default value of <varname>freq</varname> is
307         the value of the kernel variable <varname>HZ</varname>, which
308         gives you an interval of one second. Lower values will
309         increase the frequency. Try the following:
310         </para>
311 <programlisting format="linespecific">
312 cd /sys/devices/platform/uio_dummy/
313 echo 100 > freq
314 </programlisting>
315         <para>
316         Use <function>cat count</function> to see how the interrupt
317         frequency changes.
318         </para>
319 </sect1>
320 </chapter>
321
322 <chapter id="custom_kernel_module" xreflabel="Writing your own kernel module">
323 <?dbhtml filename="custom_kernel_module.html"?>
324 <title>Writing your own kernel module</title>
325         <para>
326         Please have a look at <filename>uio_dummy.c</filename> as an
327         example. The following paragraphs explain the different
328         sections of this file.
329         </para>
330
331 <sect1 id="uio_info">
332 <title>struct uio_info</title>
333         <para>
334         This structure tells the framework the details of your driver,
335         Some of the members are required, others are optional.
336         </para>
337
338 <itemizedlist>
339 <listitem><para>
340 <varname>char *name</varname>: Required. The name of your driver as
341 it will appear in sysfs. I recommend using the name of your module for this.
342 </para></listitem>
343
344 <listitem><para>
345 <varname>char *version</varname>: Required. This string appears in
346 <filename>/sys/class/uio/uioX/version</filename>.
347 </para></listitem>
348
349 <listitem><para>
350 <varname>struct uio_mem mem[ MAX_UIO_MAPS ]</varname>: Required if you
351 have memory that can be mapped with <function>mmap()</function>. For each
352 mapping you need to fill one of the <varname>uio_mem</varname> structures.
353 See the description below for details.
354 </para></listitem>
355
356 <listitem><para>
357 <varname>long irq</varname>: Required. If your hardware generates an
358 interrupt, it's your modules task to determine the irq number during
359 initialization. If you don't have a hardware generated interrupt but
360 want to trigger the interrupt handler in some other way, set
361 <varname>irq</varname> to <varname>UIO_IRQ_CUSTOM</varname>. The
362 uio_dummy module does this as it triggers the event mechanism in a timer
363 routine. If you had no interrupt at all, you could set
364 <varname>irq</varname> to <varname>UIO_IRQ_NONE</varname>, though this
365 rarely makes sense.
366 </para></listitem>
367
368 <listitem><para>
369 <varname>unsigned long irq_flags</varname>: Required if you've set
370 <varname>irq</varname> to a hardware interrupt number. The flags given
371 here will be used in the call to <function>request_irq()</function>.
372 </para></listitem>
373
374 <listitem><para>
375 <varname>int (*mmap)(struct uio_info *info, struct vm_area_struct
376 *vma)</varname>: Optional. If you need a special
377 <function>mmap()</function> function, you can set it here. If this
378 pointer is not NULL, your <function>mmap()</function> will be called
379 instead of the built-in one.
380 </para></listitem>
381
382 <listitem><para>
383 <varname>int (*open)(struct uio_info *info, struct inode *inode)
384 </varname>: Optional. You might want to have your own
385 <function>open()</function>, e.g. to enable interrupts only when your
386 device is actually used.
387 </para></listitem>
388
389 <listitem><para>
390 <varname>int (*release)(struct uio_info *info, struct inode *inode)
391 </varname>: Optional. If you define your own
392 <function>open()</function>, you will probably also want a custom
393 <function>release()</function> function.
394 </para></listitem>
395 </itemizedlist>
396
397 <para>
398 Usually, your device will have one or more memory regions that can be mapped
399 to user space. For each region, you have to set up a
400 <varname>struct uio_mem</varname> in the <varname>mem[]</varname> array.
401 Here's a description of the fields of <varname>struct uio_mem</varname>:
402 </para>
403
404 <itemizedlist>
405 <listitem><para>
406 <varname>int memtype</varname>: Required if the mapping is used. Set this to
407 <varname>UIO_MEM_PHYS</varname> if you you have physical memory on your
408 card to be mapped. Use <varname>UIO_MEM_LOGICAL</varname> for logical
409 memory (e.g. allocated with <function>kmalloc()</function>). There's also
410 <varname>UIO_MEM_VIRTUAL</varname> for virtual memory.
411 </para></listitem>
412
413 <listitem><para>
414 <varname>unsigned long addr</varname>: Required if the mapping is used.
415 Fill in the address of your memory block. This address is the one that
416 appears in sysfs.
417 </para></listitem>
418
419 <listitem><para>
420 <varname>unsigned long size</varname>: Fill in the size of the
421 memory block that <varname>addr</varname> points to. If <varname>size</varname>
422 is zero, the mapping is considered unused. Note that you
423 <emphasis>must</emphasis> initialize <varname>size</varname> with zero for
424 all unused mappings.
425 </para></listitem>
426
427 <listitem><para>
428 <varname>void *internal_addr</varname>: If you have to access this memory
429 region from within your kernel module, you will want to map it internally by
430 using something like <function>ioremap()</function>. Addresses
431 returned by this function cannot be mapped to user space, so you must not
432 store it in <varname>addr</varname>. Use <varname>internal_addr</varname>
433 instead to remember such an address.
434 </para></listitem>
435 </itemizedlist>
436
437 <para>
438 Please do not touch the <varname>kobj</varname> element of
439 <varname>struct uio_mem</varname>! It is used by the UIO framework
440 to set up sysfs files for this mapping. Simply leave it alone.
441 </para>
442 </sect1>
443
444 <sect1 id="adding_irq_handler">
445 <title>Adding an interrupt handler</title>
446         <para>
447         What you need to do in your interrupt handler depends on your
448         hardware and on how you want to handle it. You should try to
449         keep the amount of code in your kernel interrupt handler low.
450         If your hardware requires no action that you
451         <emphasis>have</emphasis> to perform after each interrupt,
452         then your handler can be empty.</para> <para>If, on the other
453         hand, your hardware <emphasis>needs</emphasis> some action to
454         be performed after each interrupt, then you
455         <emphasis>must</emphasis> do it in your kernel module. Note
456         that you cannot rely on the userspace part of your driver. Your
457         userspace program can terminate at any time, possibly leaving
458         your hardware in a state where proper interrupt handling is
459         still required.
460         </para>
461
462         <para>
463         There might also be applications where you want to read data
464         from your hardware at each interrupt and buffer it in a piece
465         of kernel memory you've allocated for that purpose.  With this
466         technique you could avoid loss of data if your userspace
467         program misses an interrupt.
468         </para>
469
470         <para>
471         A note on shared interrupts: Your driver should support
472         interrupt sharing whenever this is possible. It is possible if
473         and only if your driver can detect whether your hardware has
474         triggered the interrupt or not. This is usually done by looking
475         at an interrupt status register. If your driver sees that the
476         IRQ bit is actually set, it will perform its actions, and the
477         handler returns IRQ_HANDLED. If the driver detects that it was
478         not your hardware that caused the interrupt, it will do nothing
479         and return IRQ_NONE, allowing the kernel to call the next
480         possible interrupt handler.
481         </para>
482
483         <para>
484         If you decide not to support shared interrupts, your card
485         won't work in computers with no free interrupts. As this
486         frequently happens on the PC platform, you can save yourself a
487         lot of trouble by supporting interrupt sharing.
488         </para>
489 </sect1>
490
491 </chapter>
492
493 <chapter id="userspace_driver" xreflabel="Writing a driver in user space">
494 <?dbhtml filename="userspace_driver.html"?>
495 <title>Writing a driver in userspace</title>
496         <para>
497         Once you have a working kernel module for your hardware, you can
498         write the userspace part of your driver. You don't need any special
499         libraries, your driver can be written in any reasonable language,
500         you can use floating point numbers and so on. In short, you can
501         use all the tools and libraries you'd normally use for writing a
502         userspace application.
503         </para>
504
505 <sect1 id="getting_uio_information">
506 <title>Getting information about your UIO device</title>
507         <para>
508         Information about all UIO devices is available in sysfs. The
509         first thing you should do in your driver is check
510         <varname>name</varname> and <varname>version</varname> to
511         make sure your talking to the right device and that its kernel
512         driver has the version you expect.
513         </para>
514         <para>
515         You should also make sure that the memory mapping you need
516         exists and has the size you expect.
517         </para>
518         <para>
519         There is a tool called <varname>lsuio</varname> that lists
520         UIO devices and their attributes. It is available here:
521         </para>
522         <para>
523         <ulink url="http://www.osadl.org/projects/downloads/UIO/user/">
524                 http://www.osadl.org/projects/downloads/UIO/user/</ulink>
525         </para>
526         <para>
527         With <varname>lsuio</varname> you can quickly check if your
528         kernel module is loaded and which attributes it exports.
529         Have a look at the manpage for details.
530         </para>
531         <para>
532         The source code of <varname>lsuio</varname> can serve as an
533         example for getting information about an UIO device.
534         The file <filename>uio_helper.c</filename> contains a lot of
535         functions you could use in your userspace driver code.
536         </para>
537 </sect1>
538
539 <sect1 id="mmap_device_memory">
540 <title>mmap() device memory</title>
541         <para>
542         After you made sure you've got the right device with the
543         memory mappings you need, all you have to do is to call
544         <function>mmap()</function> to map the device's memory
545         to userspace.
546         </para>
547         <para>
548         The parameter <varname>offset</varname> of the
549         <function>mmap()</function> call has a special meaning
550         for UIO devices: It is used to select which mapping of
551         your device you want to map. To map the memory of
552         mapping N, you have to use N times the page size as
553         your offset:
554         </para>
555 <programlisting format="linespecific">
556         offset = N * getpagesize();
557 </programlisting>
558         <para>
559         N starts from zero, so if you've got only one memory
560         range to map, set <varname>offset = 0</varname>.
561         A drawback of this technique is that memory is always
562         mapped beginning with its start address.
563         </para>
564 </sect1>
565
566 <sect1 id="wait_for_interrupts">
567 <title>Waiting for interrupts</title>
568         <para>
569         After you successfully mapped your devices memory, you
570         can access it like an ordinary array. Usually, you will
571         perform some initialization. After that, your hardware
572         starts working and will generate an interrupt as soon
573         as it's finished, has some data available, or needs your
574         attention because an error occured.
575         </para>
576         <para>
577         <filename>/dev/uioX</filename> is a read-only file. A
578         <function>read()</function> will always block until an
579         interrupt occurs. There is only one legal value for the
580         <varname>count</varname> parameter of
581         <function>read()</function>, and that is the size of a
582         signed 32 bit integer (4). Any other value for
583         <varname>count</varname> causes <function>read()</function>
584         to fail. The signed 32 bit integer read is the interrupt
585         count of your device. If the value is one more than the value
586         you read the last time, everything is OK. If the difference
587         is greater than one, you missed interrupts.
588         </para>
589         <para>
590         You can also use <function>select()</function> on
591         <filename>/dev/uioX</filename>.
592         </para>
593 </sect1>
594
595 </chapter>
596
597 <appendix id="app1">
598 <title>Further information</title>
599 <itemizedlist>
600         <listitem><para>
601                         <ulink url="http://www.osadl.org">
602                                 OSADL homepage.</ulink>
603                 </para></listitem>
604         <listitem><para>
605                 <ulink url="http://www.linutronix.de">
606                  Linutronix homepage.</ulink>
607                 </para></listitem>
608 </itemizedlist>
609 </appendix>
610
611 </book>