Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)之I/O端口與I/O內(nèi)存

一、統(tǒng)一編址與獨(dú)立編址

從CPU連出來一把線：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線，這把線上掛著N個(gè)接口，有相同的，有不同的，名字叫做存儲(chǔ)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(gè)設(shè)備要想接入，就用自己的接口和總線上的某個(gè)匹配接口對接……于是總線上出現(xiàn)了各種設(shè)備：內(nèi)存、硬盤，鼠標(biāo)、鍵盤，顯示器……

對于CPU而言，如果它要發(fā)數(shù)據(jù)到某個(gè)設(shè)備，其實(shí)是發(fā)到對應(yīng)的接口，接口電路里有多個(gè)寄存器(也稱為端口)，訪問設(shè)備實(shí)際上是訪問相關(guān)的端口，所有的信息會(huì)由接口轉(zhuǎn)給它的設(shè)備。那么CPU會(huì)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線，但是諸多接口，該發(fā)給誰呢?這時(shí)就須要為各接口分配一個(gè)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(shè)備通信了。

對一個(gè)系統(tǒng)而言，通常會(huì)有多個(gè)外設(shè)，每個(gè)外設(shè)的接口電路中，又會(huì)有多個(gè)端口，每個(gè)端口都需要一個(gè)地址，為他們標(biāo)識(shí)一個(gè)具體的地址值，是系統(tǒng)必須解決的事，與此同時(shí)，你還有個(gè)內(nèi)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(gè)地址也都需要分配一個(gè)標(biāo)識(shí)值，另外，很多外設(shè)有自己的內(nèi)存、緩沖區(qū)，就像你的內(nèi)存條一樣，你同樣需要為它們分配內(nèi)存……你的CPU可能需要和它們的每一個(gè)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(dǎo)致腦細(xì)胞全部陣亡。但事情總是得有人去做，ARM可能會(huì)這樣做：他這次設(shè)計(jì)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(nèi)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(nèi)存條中的內(nèi)存的，但也常被映射到其他存儲(chǔ)器上(如顯存、BIOS等)。在程序指令中的虛擬地址經(jīng)過段映射和頁面映射后，就生成了物理地址，這個(gè)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(nèi)存)用，一部分給總線用，這是由硬件設(shè)計(jì)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?yàn)檫€有一部分要給總線用(總線上還掛著別的許多設(shè)備)。在PC機(jī)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(chǎn)生的信號。外設(shè)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(guān)系由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定的。在x86平臺(tái)上，物理地址就是總線地址，這是因?yàn)樗鼈児蚕硐嗤牡刂房臻g——這句話有點(diǎn)難理解，詳見下面的“獨(dú)立編址”。在其他平臺(tái)上，可能需要轉(zhuǎn)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(tái)上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PCI總線上對0xfa000地址的訪問。因?yàn)槲锢淼刂泛涂偩€地址相同，所以憑眼睛看是不能確定這個(gè)地址是用在哪兒的，它或者在內(nèi)存中，或者是某個(gè)卡上的存儲(chǔ)單元，甚至可能這個(gè)地址上沒有對應(yīng)的存儲(chǔ)器。

3)虛擬地址：現(xiàn)代操作系統(tǒng)普遍采用虛擬內(nèi)存管理(Virtual Memory Management)機(jī)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(nèi)存地址將直接傳到芯片引腳上，被內(nèi)存芯片(物理內(nèi)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(nèi)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(gè)地址翻譯成另一個(gè)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(jìn)程的4GB(虛擬)內(nèi)存分為用戶空間、內(nèi)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(nèi)核空間。程序員只能使用虛擬地址。系統(tǒng)中每個(gè)進(jìn)程有各自的私有用戶空間(0～3G)，這個(gè)空間對系統(tǒng)中的其他進(jìn)程是不可見的。

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

2、編址方式

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

統(tǒng)一編址：外設(shè)接口中的IO寄存器(即IO端口)與主存單元一樣看待，每個(gè)端口占用一個(gè)存儲(chǔ)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(shè)備寄存器地址。端口占用了存儲(chǔ)器的地址空間，使存儲(chǔ)量容量減小。

統(tǒng)一編址也稱為“I/O內(nèi)存”方式，外設(shè)寄存器位于“內(nèi)存空間”(很多外設(shè)有自己的內(nèi)存、緩沖區(qū)，外設(shè)的寄存器和內(nèi)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(shè)、RAM等瓜分：

0x8000 1000 LED 8*8點(diǎn)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(dú)立編址(單獨(dú)編址)：IO地址與存儲(chǔ)地址分開獨(dú)立編址，I/O端口地址不占用存儲(chǔ)空間的地址范圍，這樣，在系統(tǒng)中就存在了另一種與存儲(chǔ)地址無關(guān)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(dú)立編址下，地址總線上過來一個(gè)地址，設(shè)備不知道是給IO端口的、還是給存儲(chǔ)器的，于是處理器通過MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號來實(shí)現(xiàn)對I/O端口和存儲(chǔ)器的不同尋址。如，intel 80x86就采用單獨(dú)編址，CPU內(nèi)存和I/O是一起編址的，就是說內(nèi)存一部分的地址和I/O地址是重疊的。

獨(dú)立編址也稱為“I/O端口”方式，外設(shè)寄存器位于“I/O(地址)空間”。

對于x86架構(gòu)來說，通過IN/OUT指令訪問。PC架構(gòu)一共有65536個(gè)8bit的I/O端口，組成64K個(gè)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(gè)8bit的端口可以組成一個(gè)16bit的端口，連續(xù)4個(gè)組成一個(gè)32bit的端口。I/O地址空間和CPU的物理地址空間是兩個(gè)不同的概念，例如I/O地址空間為64K，一個(gè)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：