Linux系統(tǒng)對(duì)IO端口和IO內(nèi)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(wèn)的寄存器的地址。幾乎每一種外設(shè)都是通過(guò)讀寫設(shè)備上的寄存器來(lái)進(jìn)行的。CPU通過(guò)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(shè)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(gè)外設(shè)的寄存器通常被連續(xù)地編址。

二、IO內(nèi)存

例如，在PC上可以插上一塊圖形卡，有2MB的存儲(chǔ)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(nèi)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(shí)，X86體系中，具有兩個(gè)地址空間：IO空間和內(nèi)存空間，而RISC指令系統(tǒng)的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只實(shí)現(xiàn)一個(gè)物理地址空間，即內(nèi)存空間。
內(nèi)存空間：內(nèi)存地址尋址范圍，32位操作系統(tǒng)內(nèi)存空間為2的32次冪，即4G。
IO空間：X86特有的一個(gè)空間，與內(nèi)存空間彼此獨(dú)立的地址空間，32位X86有64K的IO空間。

IO端口：當(dāng)寄存器或內(nèi)存位于IO空間時(shí)，稱為IO端口。一般寄存器也俗稱I/O端口,或者說(shuō)I/O ports,這個(gè)I/O端口可以被映射在Memory Space,也可以被映射在I/O Space。

IO內(nèi)存：當(dāng)寄存器或內(nèi)存位于內(nèi)存空間時(shí)，稱為IO內(nèi)存。

四、外設(shè)IO端口物理地址的編址方式

CPU對(duì)外設(shè)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(nèi)存映射方式（Memory－mapped）。而具體采用哪一種則取決于CPU的體系結(jié)構(gòu)。

1、統(tǒng)一編址

　　RISC指令系統(tǒng)的CPU（如，PowerPC、m68k、ARM等）通常只實(shí)現(xiàn)一個(gè)物理地址空間（RAM）。在這種情況下，外設(shè)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(nèi)存的一部分。此時(shí)，CPU可以象訪問(wèn)一個(gè)內(nèi)存單元那樣訪問(wèn)外設(shè)I/O端口，而不需要設(shè)立專門的外設(shè)I/O指令。

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”）。

2、獨(dú)立編址

而另外一些體系結(jié)構(gòu)的CPU（典型地如X86）則為外設(shè)專門實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單獨(dú)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(gè)與CPU地RAM物理地址空間不同的地址空間，所有外設(shè)的I/O端口均在這一空間中進(jìn)行編址。CPU通過(guò)設(shè)立專門的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）來(lái)訪問(wèn)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(gè)主要缺點(diǎn)。

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”。

3、優(yōu)缺點(diǎn)

獨(dú)立編址主要優(yōu)點(diǎn)是：
1）、I/O端口地址不占用存儲(chǔ)器空間；使用專門的I／O指令對(duì)端口進(jìn)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(chǔ)器訪問(wèn)指令有明顯的區(qū)別，使程序中I/O操作和存儲(chǔ)器操作層次清晰，程序的可讀性強(qiáng)。
3）、同時(shí)，由于使用專門的I/O指令訪問(wèn)端口，并且I/O端口地址和存儲(chǔ)器地址是分開(kāi)的，故I/O端口地址和存儲(chǔ)器地址可以重疊，而不會(huì)相互混淆。
4）、譯碼電路比較簡(jiǎn)單(因?yàn)镮/0端口的地址空間一般較小，所用地址線也就較少)。
其缺點(diǎn)是：只能用專門的I/0指令，訪問(wèn)端口的方法不如訪問(wèn)存儲(chǔ)器的方法多。

統(tǒng)一編址優(yōu)點(diǎn)：
1）、由于對(duì)I/O設(shè)備的訪問(wèn)是使用訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令，所以指令類型多，功能齊全，這不僅使訪問(wèn)I/O端口可實(shí)現(xiàn)輸入/輸出操作，而且還可對(duì)端口內(nèi)容進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，移位等等；
2）、另外，能給端口有較大的編址空間，這對(duì)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(diǎn)是端口占用了存儲(chǔ)器的地址空間，使存儲(chǔ)器容量減小，另外指令長(zhǎng)度比專門I/O指令要長(zhǎng)，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(shè)計(jì)。在一個(gè)系統(tǒng)中也可以同時(shí)使用兩種方式，前提是首先要支持I/O獨(dú)立編址。Intel的x86微處理器都支持I/O 獨(dú)立編址，因?yàn)樗鼈兊闹噶钕到y(tǒng)中都有I/O指令，并設(shè)置了可以區(qū)分I/O訪問(wèn)和存儲(chǔ)器訪問(wèn)的控制信號(hào)引腳。而一些微處理器或單片機(jī)，為了減少引腳，從而減 少芯片占用面積，不支持I/O獨(dú)立編址，只能采用存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。

五、Linux下訪問(wèn)IO端口

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(wèn)。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()。

IO region是一種IO資源，因此它可以用resource結(jié)構(gòu)類型來(lái)描述。

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

1、I/O映射方式

直接使用IO端口操作函數(shù)：在設(shè)備打開(kāi)或驅(qū)動(dòng)模塊被加載時(shí)申請(qǐng)IO端口區(qū)域，之后使用inb(),outb()等進(jìn)行端口訪問(wèn)，最后在設(shè)備關(guān)閉或驅(qū)動(dòng)被卸載時(shí)釋放IO端口范圍。

in、out、ins和outs匯編語(yǔ)言指令都可以訪問(wèn)I/O端口。內(nèi)核中包含了以下輔助函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化這種訪問(wèn)：

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

inb_p( )、inw_p( )、inl_p( )
分別從I/O端口讀取1、2或4個(gè)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(gè)I/O端口寫入1、2或4個(gè)連續(xù)字節(jié)。

outb_p( )、outw_p( )、outl_p( )
分別向一個(gè)I/O端口寫入1、2或4個(gè)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(gè)字節(jié)為一組的連續(xù)字節(jié)序列。字節(jié)序列的長(zhǎng)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(gè)字節(jié)為一組的連續(xù)字節(jié)序列。

流程如下：

雖然訪問(wèn)I/O端口非常簡(jiǎn)單，但是檢測(cè)哪些I/O端口已經(jīng)分配給I/O設(shè)備可能就不這么簡(jiǎn)單了，對(duì)基于ISA總線的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更是如此。通常，I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榱颂綔y(cè)硬件設(shè)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(shè)備已經(jīng)使用這個(gè)端口，那么系統(tǒng)就會(huì)崩潰。為了防止這種情況的發(fā)生，內(nèi)核必須使用“資源”來(lái)記錄分配給每個(gè)硬件設(shè)備的I/O端口。資源表示某個(gè)實(shí)體的一部分，這部分被互斥地分配給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這里，資源表示I/O端口地址的一個(gè)范圍。每個(gè)資源對(duì)應(yīng)的信息存放在resource數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中:

所有的同種資源都插入到一個(gè)樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（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(gè)根節(jié)點(diǎn)為ioport_resource的樹中。節(jié)點(diǎn)的孩子被收集在一個(gè)鏈表中，其第一個(gè)元素由child指向。sibling字段指向鏈表中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

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(shuō)從0xf000 到 0xf00f。那么，start字段為0xf000 且end 字段為0xf00f的這樣一個(gè)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(shè)備驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序把兩個(gè)子范圍對(duì)應(yīng)的孩子插入到從0xf000 到0xf00f的整個(gè)范圍對(duì)應(yīng)的資源下。一般來(lái)說(shuō)，樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)肯定相當(dāng)于父節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)范圍的一個(gè)子范圍。I/O端口資源樹(ioport_resource)的根節(jié)點(diǎn)跨越了整個(gè)I/O地址空間（從端口0到65535）。

任何設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都可以使用下面三個(gè)函數(shù)，傳遞給它們的參數(shù)為資源樹的根節(jié)點(diǎn)和要插入的新資源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地址：

request_resource( ) //把一個(gè)給定范圍分配給一個(gè)I/O設(shè)備。

allocate_resource( ) //在資源樹中尋找一個(gè)給定大小和排列方式的可用范圍；若存在，將這個(gè)范圍分配給一個(gè)I/O設(shè)備（主要由PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用，可以使用任意的端口號(hào)和主板上的內(nèi)存地址對(duì)其進(jìn)行配置）。

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

內(nèi)核也為以上函數(shù)定義了一些應(yīng)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(dāng)前分配給I/O設(shè)備的所有I/O地址的樹都可以從/proc/ioports文件中獲得。

2、內(nèi)存映射方式

將IO端口映射為內(nèi)存進(jìn)行訪問(wèn)，在設(shè)備打開(kāi)或驅(qū)動(dòng)模塊被加載時(shí)，申請(qǐng)IO端口區(qū)域并使用ioport_map()映射到內(nèi)存，之后使用IO內(nèi)存的函數(shù)進(jìn)行端口訪問(wèn)，最后，在設(shè)備關(guān)閉或驅(qū)動(dòng)模塊被卸載時(shí)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(guò)這個(gè)函數(shù)，可以把port開(kāi)始的count個(gè)連續(xù)的I/O端口重映射為一段“內(nèi)存空間”。然后就可以在其返回的地址上像訪問(wèn)I/O內(nèi)存一樣訪問(wèn)這些I/O端口。但請(qǐng)注意，在進(jìn)行映射前，還必須通過(guò)request_region( )分配I/O端口。

當(dāng)不再需要這種映射時(shí)，需要調(diào)用下面的函數(shù)來(lái)撤消：
void ioport_unmap(void *addr);

在設(shè)備的物理地址被映射到虛擬地址之后，盡管可以直接通過(guò)指針訪問(wèn)這些地址，但是宜使用Linux內(nèi)核的如下一組函數(shù)來(lái)完成訪問(wèn)I/O內(nèi)存：·讀I/O內(nèi)存
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
與上述函數(shù)對(duì)應(yīng)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(nèi)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(duì)應(yīng)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(wèn)IO內(nèi)存

IO內(nèi)存的訪問(wèn)方法是：首先調(diào)用request_mem_region()申請(qǐng)資源，接著將寄存器地址通過(guò)ioremap()映射到內(nèi)核空間的虛擬地址，之后就可以Linux設(shè)備訪問(wèn)編程接口訪問(wèn)這些寄存器了，訪問(wèn)完成后，使用ioremap()對(duì)申請(qǐng)的虛擬地址進(jìn)行釋放，并釋放release_mem_region()申請(qǐng)的IO內(nèi)存資源。

struct resource *requset_mem_region(unsigned long start, unsigned long len,char *name);
這個(gè)函數(shù)從內(nèi)核申請(qǐng)len個(gè)內(nèi)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(shè)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(guò)/proc/iomem查看系統(tǒng)給各種設(shè)備的內(nèi)存范圍。

要釋放所申請(qǐng)的I/O內(nèi)存，應(yīng)當(dāng)使用release_mem_region（）函數(shù)：
void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len)

申請(qǐng)一組I/O內(nèi)存后， 調(diào)用ioremap()函數(shù)：
void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);
其中三個(gè)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(quán)限有關(guān)的標(biāo)志；

功能：將一個(gè)I/O地址空間映射到內(nèi)核的虛擬地址空間上(通過(guò)release_mem_region（）申請(qǐng)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(nèi)存空間行為實(shí)際上是給開(kāi)發(fā)人員制造的一個(gè)“假象”，并沒(méi)有映射到內(nèi)核虛擬地址，僅僅是為了讓工程師可使用統(tǒng)一的I/O內(nèi)存訪問(wèn)接口ioread8/iowrite8(......)訪問(wèn)I/O端口。
最后來(lái)看一下ioread8的源碼，其實(shí)現(xiàn)也就是對(duì)虛擬地址進(jìn)行了判斷，以區(qū)分IO端口和IO內(nèi)存，然后分別使用inb/outb和readb/writeb來(lái)讀寫。

七、總結(jié)

外設(shè)IO寄存器地址獨(dú)立編址的CPU，這時(shí)應(yīng)該稱外設(shè)IO寄存器為IO端口，訪問(wèn)IO寄存器可通過(guò)ioport_map將其映射到虛擬地址空間，但實(shí)際上這是給開(kāi)發(fā)人員制造的一個(gè)“假象”，并沒(méi)有映射到內(nèi)核虛擬地址，僅僅是為了可以使用和IO內(nèi)存一樣的接口訪問(wèn)IO寄存器；也可以直接使用in/out指令訪問(wèn)IO寄存器。

例如：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(wèn)IO端口就如同訪 問(wèn)內(nèi)存一樣。

外設(shè)IO寄存器地址統(tǒng)一編址的CPU，這時(shí)應(yīng)該稱外設(shè)IO寄存器為IO內(nèi)存，訪問(wèn)IO寄存器可通過(guò)ioremap將其映射到虛擬地址空間，然后再使用read/write接口訪問(wèn)。