Linux系統(tǒng)對IO端口和IO內存的管理

一、I/O端口

端口（port）是接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器的地址。幾乎每一種外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行的。CPU通過這些地址即端口向接口電路中的寄存器發(fā)送命令，讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。外設寄存器也稱為“I/O端口”，通常包括：控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器三大類，而且一個外設的寄存器通常被連續(xù)地編址。

二、IO內存

例如，在PC上可以插上一塊圖形卡，有2MB的存儲空間，甚至可能還帶有ROM,其中裝有可執(zhí)行代碼。

三、IO端口和IO內存的區(qū)分及聯(lián)系

這兩者如何區(qū)分就涉及到硬件知識，X86體系中，具有兩個地址空間：IO空間和內存空間，而RISC指令系統(tǒng)的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只實現(xiàn)一個物理地址空間，即內存空間。
內存空間：內存地址尋址范圍，32位操作系統(tǒng)內存空間為2的32次冪，即4G。
IO空間：X86特有的一個空間，與內存空間彼此獨立的地址空間，32位X86有64K的IO空間。

IO端口：當寄存器或內存位于IO空間時，稱為IO端口。一般寄存器也俗稱I/O端口,或者說I/O ports,這個I/O端口可以被映射在Memory Space,也可以被映射在I/O Space。

IO內存：當寄存器或內存位于內存空間時，稱為IO內存。

四、外設IO端口物理地址的編址方式

CPU對外設IO端口物理地址的編址方式有兩種：一種是I/O映射方式（I/O－mapped），另一種是內存映射方式（Memory－mapped）。而具體采用哪一種則取決于CPU的體系結構。

1、統(tǒng)一編址

　　RISC指令系統(tǒng)的CPU（如，PowerPC、m68k、ARM等）通常只實現(xiàn)一個物理地址空間（RAM）。在這種情況下，外設I/O端口的物理地址就被映射到CPU的單一物理地址空間中，而成為內存的一部分。此時，CPU可以象訪問一個內存單元那樣訪問外設I/O端口，而不需要設立專門的外設I/O指令。

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”）。

2、獨立編址

而另外一些體系結構的CPU（典型地如X86）則為外設專門實現(xiàn)了一個單獨地地址空間，稱為“I/O地址空間”或者“I/O端口空間”。這是一個與CPU地RAM物理地址空間不同的地址空間，所有外設的I/O端口均在這一空間中進行編址。CPU通過設立專門的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）來訪問這一空間中的地址單元（也即I/O端口）。與RAM物理地址空間相比，I/O地址空間通常都比較小，如x86 CPU的I/O空間就只有64KB（0－0xffff）。這是“I/O映射方式”的一個主要缺點。

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”。

3、優(yōu)缺點

獨立編址主要優(yōu)點是：
1）、I/O端口地址不占用存儲器空間；使用專門的I／O指令對端口進行操作，I/O指令短，執(zhí)行速度快。
2）、并且由于專門I/O指令與存儲器訪問指令有明顯的區(qū)別，使程序中I/O操作和存儲器操作層次清晰，程序的可讀性強。
3）、同時，由于使用專門的I/O指令訪問端口，并且I/O端口地址和存儲器地址是分開的，故I/O端口地址和存儲器地址可以重疊，而不會相互混淆。
4）、譯碼電路比較簡單(因為I/0端口的地址空間一般較小，所用地址線也就較少)。
其缺點是：只能用專門的I/0指令，訪問端口的方法不如訪問存儲器的方法多。

統(tǒng)一編址優(yōu)點：
1）、由于對I/O設備的訪問是使用訪問存儲器的指令，所以指令類型多，功能齊全，這不僅使訪問I/O端口可實現(xiàn)輸入/輸出操作，而且還可對端口內容進行算術邏輯運算，移位等等；
2）、另外，能給端口有較大的編址空間，這對大型控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是很有意義的。
這種方式的缺點是端口占用了存儲器的地址空間，使存儲器容量減小，另外指令長度比專門I/O指令要長，因而執(zhí)行速度較慢。
究竟采用哪一種取決于系統(tǒng)的總體設計。在一個系統(tǒng)中也可以同時使用兩種方式，前提是首先要支持I/O獨立編址。Intel的x86微處理器都支持I/O 獨立編址，因為它們的指令系統(tǒng)中都有I/O指令，并設置了可以區(qū)分I/O訪問和存儲器訪問的控制信號引腳。而一些微處理器或單片機，為了減少引腳，從而減 少芯片占用面積，不支持I/O獨立編址，只能采用存儲器統(tǒng)一編址。

五、Linux下訪問IO端口

對于某一既定的系統(tǒng)，它要么是獨立編址、要么是統(tǒng)一編址，具體采用哪一種則取決于CPU的體系結構。 如，PowerPC、m68k等采用統(tǒng)一編址，而X86等則采用獨立編址，存在IO空間的概念。目前，大多數(shù)嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并不提供I/O空間，僅有內存空間，可直接用地址、指針訪問。但對于Linux內核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必須都要考慮這兩種方式，于是它采用一種新的方法，將基于I/O映射方式的或內存映射方式的I/O端口通稱為“I/O區(qū)域”（I/O region），不論你采用哪種方式，都要先申請IO區(qū)域：request_resource()，結束時釋放它：release_resource()。

IO region是一種IO資源，因此它可以用resource結構類型來描述。

訪問IO端口有2種途徑：I/O映射方式（I/O－mapped）、內存映射方式（Memory－mapped）。前一種途徑不映射到內存空間，直接使用 intb()/outb()之類的函數(shù)來讀寫IO端口；后一種MMIO是先把IO端口映射到IO內存（“內存空間”），再使用訪問IO內存的函數(shù)來訪問 IO端口。

1、I/O映射方式

直接使用IO端口操作函數(shù)：在設備打開或驅動模塊被加載時申請IO端口區(qū)域，之后使用inb(),outb()等進行端口訪問，最后在設備關閉或驅動被卸載時釋放IO端口范圍。

in、out、ins和outs匯編語言指令都可以訪問I/O端口。內核中包含了以下輔助函數(shù)來簡化這種訪問：

inb( )、inw( )、inl( )
分別從I/O端口讀取1、2或4個連續(xù)字節(jié)。后綴“b”、“w”、“l”分別代表一個字節(jié)（8位）、一個字（16位）以及一個長整型（32位）。

inb_p( )、inw_p( )、inl_p( )
分別從I/O端口讀取1、2或4個連續(xù)字節(jié)，然后執(zhí)行一條“啞元（dummy，即空指令）”指令使CPU暫停。

outb( )、outw( )、outl( )
分別向一個I/O端口寫入1、2或4個連續(xù)字節(jié)。

outb_p( )、outw_p( )、outl_p( )
分別向一個I/O端口寫入1、2或4個連續(xù)字節(jié)，然后執(zhí)行一條“啞元”指令使CPU暫停。

insb( )、insw( )、insl( )
分別從I/O端口讀入以1、2或4個字節(jié)為一組的連續(xù)字節(jié)序列。字節(jié)序列的長度由該函數(shù)的參數(shù)給出。

outsb( )、outsw( )、outsl( )
分別向I/O端口寫入以1、2或4個字節(jié)為一組的連續(xù)字節(jié)序列。

流程如下：

雖然訪問I/O端口非常簡單，但是檢測哪些I/O端口已經分配給I/O設備可能就不這么簡單了，對基于ISA總線的系統(tǒng)來說更是如此。通常，I/O設備驅動程序為了探測硬件設備，需要盲目地向某一I/O端口寫入數(shù)據(jù)；但是，如果其他硬件設備已經使用這個端口，那么系統(tǒng)就會崩潰。為了防止這種情況的發(fā)生，內核必須使用“資源”來記錄分配給每個硬件設備的I/O端口。資源表示某個實體的一部分，這部分被互斥地分配給設備驅動程序。在這里，資源表示I/O端口地址的一個范圍。每個資源對應的信息存放在resource數(shù)據(jù)結構中:

所有的同種資源都插入到一個樹型數(shù)據(jù)結構（父親、兄弟和孩子）中；例如，表示I/O端口地址范圍的所有資源都包括在一個根節(jié)點為ioport_resource的樹中。節(jié)點的孩子被收集在一個鏈表中，其第一個元素由child指向。sibling字段指向鏈表中的下一個節(jié)點。

為什么使用樹？例如，考慮一下IDE硬盤接口所使用的I/O端口地址－比如說從0xf000 到 0xf00f。那么，start字段為0xf000 且end 字段為0xf00f的這樣一個資源包含在樹中，控制器的常規(guī)名字存放在name字段中。但是，IDE設備驅動程序需要記住另外的信息，也就是IDE鏈主盤使用0xf000 到0xf007的子范圍，從盤使用0xf008 到0xf00f的子范圍。為了做到這點，設備驅動程序把兩個子范圍對應的孩子插入到從0xf000 到0xf00f的整個范圍對應的資源下。一般來說，樹中的每個節(jié)點肯定相當于父節(jié)點對應范圍的一個子范圍。I/O端口資源樹(ioport_resource)的根節(jié)點跨越了整個I/O地址空間（從端口0到65535）。

任何設備驅動程序都可以使用下面三個函數(shù)，傳遞給它們的參數(shù)為資源樹的根節(jié)點和要插入的新資源數(shù)據(jù)結構的地址：

request_resource( ) //把一個給定范圍分配給一個I/O設備。

allocate_resource( ) //在資源樹中尋找一個給定大小和排列方式的可用范圍；若存在，將這個范圍分配給一個I/O設備（主要由PCI設備驅動程序使用，可以使用任意的端口號和主板上的內存地址對其進行配置）。

release_resource( ) //釋放以前分配給I/O設備的給定范圍。

內核也為以上函數(shù)定義了一些應用于I/O端口的快捷函數(shù)：request_region( )分配I/O端口的給定范圍，release_region( )釋放以前分配給I/O端口的范圍。當前分配給I/O設備的所有I/O地址的樹都可以從/proc/ioports文件中獲得。

2、內存映射方式

將IO端口映射為內存進行訪問，在設備打開或驅動模塊被加載時，申請IO端口區(qū)域并使用ioport_map()映射到內存，之后使用IO內存的函數(shù)進行端口訪問，最后，在設備關閉或驅動模塊被卸載時釋放IO端口并釋放映射。

映射函數(shù)的原型為：
void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);
通過這個函數(shù)，可以把port開始的count個連續(xù)的I/O端口重映射為一段“內存空間”。然后就可以在其返回的地址上像訪問I/O內存一樣訪問這些I/O端口。但請注意，在進行映射前，還必須通過request_region( )分配I/O端口。

當不再需要這種映射時，需要調用下面的函數(shù)來撤消：
void ioport_unmap(void *addr);

在設備的物理地址被映射到虛擬地址之后，盡管可以直接通過指針訪問這些地址，但是宜使用Linux內核的如下一組函數(shù)來完成訪問I/O內存：·讀I/O內存
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
與上述函數(shù)對應的較早版本的函數(shù)為（這些函數(shù)在Linux 2.6中仍然被支持）：
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);
·寫I/O內存
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);
與上述函數(shù)對應的較早版本的函數(shù)為（這些函數(shù)在Linux 2.6中仍然被支持）：
void writeb(unsigned value, address);
void writew(unsigned value, address);
void writel(unsigned value, address);

流程如下：

六、Linux下訪問IO內存

IO內存的訪問方法是：首先調用request_mem_region()申請資源，接著將寄存器地址通過ioremap()映射到內核空間的虛擬地址，之后就可以Linux設備訪問編程接口訪問這些寄存器了，訪問完成后，使用ioremap()對申請的虛擬地址進行釋放，并釋放release_mem_region()申請的IO內存資源。

struct resource *requset_mem_region(unsigned long start, unsigned long len,char *name);
這個函數(shù)從內核申請len個內存地址（在3G~4G之間的虛地址），而這里的start為I/O物理地址，name為設備的名稱。注意，。如果分配成功，則返回非NULL，否則，返回NULL。
另外，可以通過/proc/iomem查看系統(tǒng)給各種設備的內存范圍。

要釋放所申請的I/O內存，應當使用release_mem_region（）函數(shù)：
void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len)

申請一組I/O內存后， 調用ioremap()函數(shù)：
void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);
其中三個參數(shù)的含義為：
phys_addr：與requset_mem_region函數(shù)中參數(shù)start相同的I/O物理地址；
size：要映射的空間的大??；
flags：要映射的IO空間的和權限有關的標志；

功能：將一個I/O地址空間映射到內核的虛擬地址空間上(通過release_mem_region（）申請到的)

流程如下：

六、ioremap和ioport_map

下面具體看一下ioport_map和ioport_umap的源碼：

ioport_map僅僅是將port加上PIO_OFFSET(64k)，而ioport_unmap則什么都不做。這樣portio的64k空間就被映射到虛擬地址的64k~128k之間，而ioremap返回的虛擬地址則肯定在3G之上。ioport_map函數(shù)的目的是試圖提供與ioremap一致的虛擬地址空間。分析ioport_map()的源代碼可發(fā)現(xiàn)，所謂的映射到內存空間行為實際上是給開發(fā)人員制造的一個“假象”，并沒有映射到內核虛擬地址，僅僅是為了讓工程師可使用統(tǒng)一的I/O內存訪問接口ioread8/iowrite8(......)訪問I/O端口。
最后來看一下ioread8的源碼，其實現(xiàn)也就是對虛擬地址進行了判斷，以區(qū)分IO端口和IO內存，然后分別使用inb/outb和readb/writeb來讀寫。

七、總結

外設IO寄存器地址獨立編址的CPU，這時應該稱外設IO寄存器為IO端口，訪問IO寄存器可通過ioport_map將其映射到虛擬地址空間，但實際上這是給開發(fā)人員制造的一個“假象”，并沒有映射到內核虛擬地址，僅僅是為了可以使用和IO內存一樣的接口訪問IO寄存器；也可以直接使用in/out指令訪問IO寄存器。

例如：Intel x86平臺普通使用了名為內存映射（MMIO）的技術，該技術是PCI規(guī)范的一部分，IO設備端口被映射到內存空間，映射后，CPU訪問IO端口就如同訪 問內存一樣。

外設IO寄存器地址統(tǒng)一編址的CPU，這時應該稱外設IO寄存器為IO內存，訪問IO寄存器可通過ioremap將其映射到虛擬地址空間，然后再使用read/write接口訪問。