Linux設備驅動之I/O端口與I/O內存

一、統(tǒng)一編址與獨立編址

從CPU連出來一把線：數(shù)據總線、地址總線、控制總線，這把線上掛著N個接口，有相同的，有不同的，名字叫做存儲器接口、中斷控制接口、DMA接口、并行接口、串行接口、AD接口……一個設備要想接入，就用自己的接口和總線上的某個匹配接口對接……于是總線上出現(xiàn)了各種設備：內存、硬盤，鼠標、鍵盤，顯示器……

對于CPU而言，如果它要發(fā)數(shù)據到某個設備，其實是發(fā)到對應的接口，接口電路里有多個寄存器(也稱為端口)，訪問設備實際上是訪問相關的端口，所有的信息會由接口轉給它的設備。那么CPU會準備數(shù)據到數(shù)據總線，但是諸多接口，該發(fā)給誰呢?這時就須要為各接口分配一個地址，然后把地址放在地址總線上，需要的控制信息放到控制總線上，就可以和設備通信了。

對一個系統(tǒng)而言，通常會有多個外設，每個外設的接口電路中，又會有多個端口，每個端口都需要一個地址，為他們標識一個具體的地址值，是系統(tǒng)必須解決的事，與此同時，你還有個內存條，可能是512M或1G或更大的金士頓、現(xiàn)代DDR2之類，他們的每一個地址也都需要分配一個標識值，另外，很多外設有自己的內存、緩沖區(qū)，就像你的內存條一樣，你同樣需要為它們分配內存……你的CPU可能需要和它們的每一個字節(jié)都打交道，所以：別指望偷懶，它們的每一寸土地都要規(guī)劃好!這聽起來就很煩，做起來可能就直接導致腦細胞全部陣亡。但事情總是得有人去做，ARM可能會這樣做：他這次設計的CPU是32位的，最多也就能尋址2^32=4G空間，于是把這4GB空間丟給內存和端口，讓他們瓜分。但英特爾或許有更好的分配方式……

1、地址的概念

1)物理地址：CPU地址總線傳來的地址，由硬件電路控制其具體含義。物理地址中很大一部分是留給內存條中的內存的，但也常被映射到其他存儲器上(如顯存、BIOS等)。在程序指令中的虛擬地址經過段映射和頁面映射后，就生成了物理地址，這個物理地址被放到CPU的地址線上。

物理地址空間，一部分給物理RAM(內存)用，一部分給總線用，這是由硬件設計來決定的，因此在32 bits地址線的x86處理器中，物理地址空間是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因為還有一部分要給總線用(總線上還掛著別的許多設備)。在PC機中，一般是把低端物理地址給RAM用，高端物理地址給總線用。

2)總線地址：總線的地址線或在地址周期上產生的信號。外設使用的是總線地址，CPU使用的是物理地址。

物理地址與總線地址之間的關系由系統(tǒng)的設計決定的。在x86平臺上，物理地址就是總線地址，這是因為它們共享相同的地址空間——這句話有點難理解，詳見下面的“獨立編址”。在其他平臺上，可能需要轉換/映射。比如：CPU需要訪問物理地址是0xfa000的單元，那么在x86平臺上，會產生一個PCI總線上對0xfa000地址的訪問。因為物理地址和總線地址相同，所以憑眼睛看是不能確定這個地址是用在哪兒的，它或者在內存中，或者是某個卡上的存儲單元，甚至可能這個地址上沒有對應的存儲器。

3)虛擬地址：現(xiàn)代操作系統(tǒng)普遍采用虛擬內存管理(Virtual Memory Management)機制，這需要MMU(Memory Management Unit)的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果處理器沒有MMU，或者有MMU但沒有啟用，CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內存地址將直接傳到芯片引腳上，被內存芯片(物理內存)接收，這稱為物理地址(Physical Address)，如果處理器啟用了MMU，CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內存地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱為虛擬地址(Virtual Address)，而MMU將這個地址翻譯成另一個地址發(fā)到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將虛擬地址映射成物理地址。

Linux中，進程的4GB(虛擬)內存分為用戶空間、內核空間。用戶空間分布為0~3GB(即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于0xC0000000)，剩下的1G為內核空間。程序員只能使用虛擬地址。系統(tǒng)中每個進程有各自的私有用戶空間(0～3G)，這個空間對系統(tǒng)中的其他進程是不可見的。

CPU發(fā)出取指令請求時的地址是當前上下文的虛擬地址，MMU再從頁表中找到這個虛擬地址的物理地址，完成取指。同樣讀取數(shù)據的也是虛擬地址，比如mov ax, var. 編譯時var就是一個虛擬地址，也是通過MMU從也表中來找到物理地址，再產生總線時序，完成取數(shù)據的。

2、編址方式

1)外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行的，外設寄存器也稱為“I/O端口”，而IO端口有兩種編址方式：獨立編址和統(tǒng)一編制。

統(tǒng)一編址：外設接口中的IO寄存器(即IO端口)與主存單元一樣看待，每個端口占用一個存儲單元的地址，將主存的一部分劃出來用作IO地址空間，如，在PDP-11中，把最高的4K主存作為IO設備寄存器地址。端口占用了存儲器的地址空間，使存儲量容量減小。

統(tǒng)一編址也稱為“I/O內存”方式，外設寄存器位于“內存空間”(很多外設有自己的內存、緩沖區(qū)，外設的寄存器和內存統(tǒng)稱“I/O空間”)。

如，Samsung的S3C2440，是32位ARM處理器，它的4GB地址空間被外設、RAM等瓜分：

0x8000 1000 LED 8*8點陣的地址

0x4800 0000 ~ 0x6000 0000 SFR(特殊暫存器)地址空間

0x3800 1002 鍵盤地址

0x3000 0000 ~ 0x3400 0000 SDRAM空間

0x2000 0020 ~ 0x2000 002e IDE

0x1900 0300 CS8900

獨立編址(單獨編址)：IO地址與存儲地址分開獨立編址，I/O端口地址不占用存儲空間的地址范圍，這樣，在系統(tǒng)中就存在了另一種與存儲地址無關的IO地址，CPU也必須具有專用與輸入輸出操作的IO指令(IN、OUT等)和控制邏輯。獨立編址下，地址總線上過來一個地址，設備不知道是給IO端口的、還是給存儲器的，于是處理器通過MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號來實現(xiàn)對I/O端口和存儲器的不同尋址。如，intel 80x86就采用單獨編址，CPU內存和I/O是一起編址的，就是說內存一部分的地址和I/O地址是重疊的。

獨立編址也稱為“I/O端口”方式，外設寄存器位于“I/O(地址)空間”。

對于x86架構來說，通過IN/OUT指令訪問。PC架構一共有65536個8bit的I/O端口，組成64K個I/O地址空間，編號從0~0xFFFF，有16位，80x86用低16位地址線A0-A15來尋址。連續(xù)兩個8bit的端口可以組成一個16bit的端口，連續(xù)4個組成一個32bit的端口。I/O地址空間和CPU的物理地址空間是兩個不同的概念，例如I/O地址空間為64K，一個32bit的CPU物理地址空間是4G。如，在Intel 8086+Redhat9.0 下用“more /proc/ioports”可看到：