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

0000-001f : dma1

0020-003f : pic1

0040-005f : timer

0060-006f : keyboard

0070-007f : rtc

0080-008f : dma page reg

00a0-00bf : pic2

00c0-00df : dma2

00f0-00ff : fpu

0170-0177 : ide1

……

不過Intel x86平臺(tái)普通使用了名為內(nèi)存映射(MMIO)的技術(shù)，該技術(shù)是PCI規(guī)范的一部分，IO設(shè)備端口被映射到內(nèi)存空間，映射后，CPU訪問IO端口就如同訪問內(nèi)存一樣。看Intel TA 719文檔給出的x86/x64系統(tǒng)典型內(nèi)存地址分配表：

系統(tǒng)資源 占用

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BIOS 1M

本地APIC 4K

芯片組保留 2M

IO APIC 4K

PCI設(shè)備 256M

PCI Express設(shè)備 256M

PCI設(shè)備(可選) 256M

顯示幀緩存 16M

TSEG 1M

對(duì)于某一既定的系統(tǒng)，它要么是獨(dú)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(jié)構(gòu)。 如，PowerPC、m68k等采用統(tǒng)一編址，而X86等則采用獨(dú)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(nèi)存空間，可直接用地址、指針訪問。但對(duì)于Linux內(nèi)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(nèi)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(qǐng)IO區(qū)域：request_resource()，結(jié)束時(shí)釋放它：release_resource()。

二、linux I/O端口與I/O內(nèi)存

IO端口：當(dāng)一個(gè)寄存器或者內(nèi)存位于IO空間時(shí);

IO內(nèi)存：當(dāng)一個(gè)內(nèi)存或者寄存器位于內(nèi)存空間時(shí);

在一些CPU制造商在其芯片上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單地址空間(統(tǒng)一編址)的同時(shí)，其它的CPU制造商認(rèn)為外設(shè)不同于內(nèi)存，應(yīng)該有一個(gè)獨(dú)立的地址空間給外設(shè)(單獨(dú)編址)，其生產(chǎn)處理器(特別是x86家族)的I/O端口有自己的讀寫信號(hào)線和特殊的CPU指令來存取端口。因?yàn)橥庠O(shè)要與外設(shè)總線相匹配，并且大部分流行的I/O總線都是以個(gè)人計(jì)算機(jī)(主要是x86家族)作為模型，所以即便那些沒有單獨(dú)地址空間給I/O端口的處理器，也必須在訪問外設(shè)時(shí)模擬成讀寫端口。這通常通過外部芯片組(PC中的南北橋)或者在CPU核中附加額外電路來實(shí)現(xiàn)(基于嵌入式應(yīng)用的處理器)。

由于同樣的理由，Linux在所有計(jì)算機(jī)平臺(tái)上都實(shí)現(xiàn)了I/O端口，甚至在那些單地址空間的CPU平臺(tái)上(模擬I/O端口)。但并不是所有的設(shè)備都會(huì)將其寄存器映射到I/O端口。雖然ISA設(shè)備普遍使用I/O端口，但大部分PCI設(shè)備將寄存器映射到某個(gè)內(nèi)存地址區(qū)。這種I/O內(nèi)存方法通常是首選的，因?yàn)樗鼰o需使用特殊的處理器指令，CPU存取內(nèi)存也更有效率，并且編譯器在存取內(nèi)存時(shí)在寄存器分配和尋址模式的選擇上有更多自由。

1.IO寄存器和常規(guī)內(nèi)存

I/O寄存器和RAM的主要不同是I/O操作有邊際效應(yīng)(side effect)，而內(nèi)存操作沒有:訪問內(nèi)存只是在內(nèi)存某一位置存儲(chǔ)數(shù)值。因?yàn)閮?nèi)存存取速度嚴(yán)重影響CPU的性能，編譯器可能會(huì)對(duì)源碼進(jìn)行優(yōu)化，主要是：使用高速緩存和重排讀/寫指令的順序。對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)存(至少在單處理器系統(tǒng))這些優(yōu)化是透明有益的，但是對(duì)于I/O 寄存器，這可能是致命錯(cuò)誤，因?yàn)樗鼈兏蓴_了那些邊際效應(yīng)(驅(qū)動(dòng)程序存取I/O 寄存器就是為了獲取邊際效應(yīng))。因此，驅(qū)動(dòng)程序必須確保在存取寄存器時(shí)，不能使用高速緩存并且不能重新編排讀寫指令的順序。

side effect 是指：訪問I/O寄存器時(shí)，不僅僅會(huì)像訪問普通內(nèi)存一樣影響存儲(chǔ)單元的值，更重要的是它可能改變CPU的I/O端口電平、輸出時(shí)序或CPU對(duì)I/O端口電平的反應(yīng)等等，從而實(shí)現(xiàn)CPU的控制功能。CPU在電路中的意義就是實(shí)現(xiàn)其side effect 。舉個(gè)例子，有些設(shè)備的中斷狀態(tài)寄存器只要一讀取，便自動(dòng)清零。

硬件緩沖的問題是最易解決的：只要將底層硬件配置(或者自動(dòng)地或者通過Linux 初始化代碼)為當(dāng)存取I/O區(qū)時(shí)，禁止任何硬件緩沖(不管是I/O 內(nèi)存還是I/O 端口)。

編譯器優(yōu)化和硬件重編排讀寫指令順序的解決方法是：在硬件或處理器必須以一個(gè)特定順序執(zhí)行的操作之間安放一個(gè)內(nèi)存屏障(memory barrier)。

2.操作IO端口(申請(qǐng)，訪問，釋放)：

I/O 端口是驅(qū)動(dòng)用來和很多設(shè)備通訊的方法。

(1)申請(qǐng)I/O 端口：

在驅(qū)動(dòng)還沒獨(dú)占設(shè)備之前，不應(yīng)對(duì)端口進(jìn)行操作。內(nèi)核提供了一個(gè)注冊(cè)接口，以允許驅(qū)動(dòng)聲明其需要的端口：

/* request_region告訴內(nèi)核：要使用first開始的n個(gè)端口。參數(shù)name為設(shè)備名。如果分配成功返回值是非NULL;否則無法使用需要的端口(/proc/ioports包含了系統(tǒng)當(dāng)前所有端口的分配信息，若request_region分配失敗時(shí)，可以查看該文件，看誰先用了你要的端口) */struct resource *request_region(unsigned long first, unsigned long n, const char *name);

(2)訪問IO端口：

在驅(qū)動(dòng)成功請(qǐng)求到I/O 端口后，就可以讀寫這些端口了。大部分硬件會(huì)將8位、16位和32位端口區(qū)分開，無法像訪問內(nèi)存那樣混淆使用。驅(qū)動(dòng)程序必須調(diào)用不同的函數(shù)來訪問不同大小的端口。

Linux 內(nèi)核頭文件(體系依賴的頭文件) 定義了下列內(nèi)聯(lián)函數(shù)來存取I/O端口:

/* inb/outb:讀/寫字節(jié)端口(8位寬)。有些體系將port參數(shù)定義為unsigned long;而有些平臺(tái)則將它定義為unsigned short。inb的返回類型也是依賴體系的 */unsigned inb(unsigned port);void outb(unsigned char byte, unsigned port);/* inw/outw:讀/寫字端口(16位寬) */unsigned inw(unsigned port);void outw(unsigned short word, unsigned port);/* inl/outl:讀/寫32位端口。longword也是依賴體系的，有的體系為unsigned long;而有的為unsigned int */unsigned inl(unsigned port);void outl(unsigned longword, unsigned port);

(3)釋放IO端口：

/* 用完I/O端口后(可能在模塊卸載時(shí))，應(yīng)當(dāng)調(diào)用release_region將I/O端口返還給系統(tǒng)。參數(shù)start和n應(yīng)與之前傳遞給request_region一致 */void release_region(unsigned long start, unsigned long n);