一文讀懂Linux下如何訪問I/O端口和I/O內(nèi)存

　　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(shè)都是通過讀寫設(shè)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(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，X86體系中，具有兩個地址空間：IO空間和內(nèi)存空間，而RISC指令系統(tǒng)的CPU(如ARM、PowerPC等)通常只實現(xiàn)一個物理地址空間，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特有的一個空間，與內(nèi)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(dāng)寄存器或內(nèi)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(nèi)存：當(dāng)寄存器或內(nèi)存位于內(nèi)存空間時，稱為IO內(nèi)存。

　　四、外設(shè)IO端口物理地址的編址方式

　　CPU對外設(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)通常只實現(xiàn)一個物理地址空間(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，CPU可以象訪問一個內(nèi)存單元那樣訪問外設(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(shè)的I/O端口均在這一空間中進行編址。CPU通過設(shè)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(shè)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(shè)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(nèi)容進行算術(shù)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)。 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(nèi)存空間，可直接用地址、指針訪問。但對于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IO區(qū)域：request_resource()，結(jié)束時釋放它：release_resource()。

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

　　訪問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IO內(nèi)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(shè)備打開或驅(qū)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(shè)備關(guān)閉或驅(qū)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(nèi)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(fā)”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：