内核到用户空间的低延迟通信

Question

• 我有一个内核模块，可以从外部GPIO引脚变化接收中断（上半部分）。
• 在接收到中断后，内核模块应唤醒或以某种方式调用用户空间中的函数/线程来启动处理。时间非常有限。
• 不需要发送任何数据，只需发送信号。
• CPU是多核的，用户空间应用程序将与一个核心相关联。

有很多种方法可以进行内核-用户空间通信。哪一种具有最低的延迟？（即ISR和唤醒函数之间的时间）。

（附注：是的，我可以对它们进行基准测试，我提问的原因是因为我可能不知道每种可能的解决方案）

- zupazt3

Answer 1

中断处理程序可以直接写入由进程提供的映射内存范围，而进程正在忙等待该内存位置的更改。这甚至可以在顶半部执行，并应为您提供最低的延迟时间。请确保所提供的内存位置已锁定到物理内存中，因为它不能在isr期间分页。

类似的方法也可以在数据包套接字和PACKET_MMAP中找到，在其中内核和用户空间之间的通信通过共享内存空间进行（请参见内核文档）。

如果您不关心通过操作系统进行资源管理（因为您只有一个等待外部输入的应用程序），则还可以选择从用户空间直接访问硬件（使用iopl/inb/outb等命令）。

- Ctx

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我其实也在考虑使用轮询的方式，但不确定是否是个好主意。既然你也这么说了，那我就试一试。例如：在内核模块中创建一个缓冲区，并将其物理地址传递给用户应用程序。然后用户应用程序可以通过 mmap 到 /dev/mem 来以轮询模式访问这个物理内存。这是你想要的吗？ - zupazt3

关于从用户空间直接访问硬件，您的意思是不使用中断，而是通过直接检查GPIO引脚的状态来进行轮询？我理解得对吗？这是一个有趣的方法，我之前并没有考虑过。 - zupazt3

@zupazt3 是的，如果直接从用户空间操作，则不可能使用中断。有几种可能性可以共享内存页面，你提出的是一种有效的方式。也可以在用户空间映射页面，并通过“ioctl()”或类似方法向驱动程序提供虚拟地址，但您必须关注虚拟地址的转换。 - Ctx

Answer 2

进程等待内核唤醒的标准方法是使用poll()系统调用，并让设备驱动程序的中断处理程序唤醒任何等待它的线程。

在你列出的4个操作中，唤醒应用程序线程的延迟时间最长，因此如果你需要更短的延迟时间，你需要让线程保持唤醒状态但等待事件发生。

我使用过的最低延迟机制是让中断在应用程序进程中写入一个单词，并让一个线程读取该单词并在值改变时继续执行。实际上，这是用户空间和内核空间之间的自旋锁。当你可以将CPU核心专用于自旋锁或者期望等待时间非常短时，请使用此机制。

你可以使用ioctl()传递一个用户空间指针给驱动程序，以便它知道要更新哪个单词。

- Jamey Hicks