[转载]Linux系统对IO内存储器和IO端口的管理

[转载]Linux系统对IO内存和IO端口的管理
Linux系统对IO内存和IO端口的管理

一、I/O端口

      端口（port）是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的。CPU通过这些地址即端口向接口电路中的寄存器发送命令，读取状态和传送数据。外设寄存器也称为“I/O端口”，通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类，而且一个外设的寄存器通常被连续地编址。

 

二、IO内存

       例如，在PC上可以插上一块图形卡，有2MB的存储空间，甚至可能还带有ROM,其中装有可执行代码。

三、IO端口和IO内存的区分及联系

        这两者如何区分就涉及到硬件知识，X86体系中，具有两个地址空间：IO空间和内存空间，而RISC指令系统的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间，即内存空间。
内存空间：内存地址寻址范围，32位操作系统内存空间为2的32次幂，即4G。
IO空间：X86特有的一个空间，与内存空间彼此独立的地址空间，32位X86有64K的IO空间。  

IO端口：当寄存器或内存位于IO空间时，称为IO端口。一般寄存器也俗称I/O端口,或者说I/O ports,这个I/O端口可以被映射在Memory Space,也可以被映射在I/O Space。

IO内存：当寄存器或内存位于内存空间时，称为IO内存。

 

四、外设IO端口物理地址的编址方式

       CPU对外设IO端口物理地址的编址方式有两种：一种是I/O映射方式（I/O－mapped），另一种是内存映射方式（Memory－mapped）。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。

1、统一编址，内存映射方式

　　RISC指令系统的CPU（如，PowerPC、m68k、ARM等）通常只实现一个物理地址空间（RAM）。在这种情况下，外设I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中，而成为内存的一部分。此时，CPU可以象访问一个内存单元那样访问外设I/O端口，而不需要设立专门的外设I/O指令。

       统一编址也称为“I/O内存”方式，外设寄存器位于“内存空间”（很多外设有自己的内存、缓冲区，外设的寄存器和内存统称“I/O空间”）。

2、独立编址，IO映射方式

        而另外一些体系结构的CPU（典型地如X86）则为外设专门实现了一个单独地地址空间，称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间，所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）来访问这一空间中的地址单元（也即I/O端口）。与RAM物理地址空间相比，I/O地址空间通常都比较小，如x86 CPU的I/O空间就只有64KB（0－0xffff）。这是“I/O映射方式”的一个主要缺点。

        独立编址也称为“I/O端口”方式，外设寄存器位于“I/O（地址）空间”。

3、优缺点

独立编址主要优点是：
1）、I/O端口地址不占用存储器空间；使用专门的I／O指令对端口进行操作，I/O指令短，执行速度快。
2）、并且由于专门I/O指令与存储器访问指令有明显的区别，使程序中I/O操作和存储器操作层次清晰，程序的可读性强。
3）、同时，由于使用专门的I/O指令访问端口，并且I/O端口地址和存储器地址是分开的，故I/O端口地址和存储器地址可以重叠，而不会相互混淆。 
4）、译码电路比较简单(因为I/0端口的地址空间一般较小，所用地址线也就较少)。
其缺点是：只能用专门的I/0指令，访问端口的方法不如访问存储器的方法多。

统一编址优点：
1）、由于对I/O设备的访问是使用访问存储器的指令，所以指令类型多，功能齐全，这不仅使访问I/O端口可实现输入/输出操作，而且还可对端口内容进行算术逻辑运算，移位等等；
2）、另外，能给端口有较大的编址空间，这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的。
这种方式的缺点是端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小，另外指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢。
        究竟采用哪一种取决于系统的总体设计。在一个系统中也可以同时使用两种方式，前提是首先要支持I/O独立编址。Intel的x86微处理器都支持I/O 独立编址，因为它们的指令系统中都有I/O指令，并设置了可以区分I/O访问和存储器访问的控制信号引脚。而一些微处理器或单片机，为了减少引脚，从而减少芯片占用面积，不支持I/O独立编址，只能采用存储器统一编址。

4、对资源的管理

   对于某一既定的系统，它要么是独立编址、要么是统一编址，具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。如，PowerPC、m68k等采用统一编址，而X86等则采用独立编址，存在IO空间的概念。目前，大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并不提供I/O空间，仅有内存空间，可直接用地址、指针访问。但对于Linux内核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必须都要考虑这两种方式，于是它采用一种新的方法，将基于I/O映射方式的或内存映射方式的I/O端口通称为“I/O区域”（I/O region），不论你采用哪种方式，都要先申请IO区域：request_resource()，结束时释放它：release_resource()。

IO region是一种IO资源，因此它可以用resource结构类型来描述。

struct resource {  

         resource_size_t start;// 资源范围的开始  

         resource_size_t end;// 资源范围的结束  

         const char *name; //资源拥有者的名字  

         unsigned long flags;// 各种标志  

         struct resource *parent, *sibling, *child;// 指向资源树中父亲，兄弟和孩子的指针  

};  

          所有的同种资源都插入到一个树型数据结构（父亲、兄弟和孩子）中；例如，表示I/O端口地址范围的所有资源都包括在一个根节点为ioport_resource的树中。节点的孩子被收集在一个链表中，其第一个元素由child指向。sibling字段指向链表中的下一个节点。

        为什么使用树？例如，考虑一下IDE硬盘接口所使用的I/O端口地址－比如说从0xf000 到 0xf00f。那么，start字段为0xf000 且end 字段为0xf00f的这样一个资源包含在树中，控制器的常规名字存放在name字段中。但是，IDE设备驱动程序需要记住另外的信息，也就是IDE链主盘使用0xf000 到0xf007的子范围，从盘使用0xf008 到0xf00f的子范围。为了做到这点，设备驱动程序把两个子范围对应的孩子插入到从0xf000 到0xf00f的整个范围对应的资源下。一般来说，树中的每个节点肯定相当于父节点对应范围的一个子范围。I/O端口资源树(ioport_resource)的根节点跨越了整个I/O地址空间（从端口0到65535）。

五、Linux下访问IO端口

        访问IO端口有2种途径：I/O映射方式（I/O－mapped）、内存映射方式（Memory－mapped）。前一种途径不映射到内存空间，直接使用 intb()/outb()之类的函数来读写IO端口；后一种MMIO是先把IO端口映射到IO内存（“内存空间”），再使用访问IO内存的函数来访问 IO端口。

1、I/O映射方式

       直接使用IO端口操作函数：在设备打开或驱动模块被加载时申请IO端口区域，之后使用inb(),outb()等进行端口访问，最后在设备关闭或驱动被卸载时释放IO端口范围。

 in、out、ins和outs汇编语言指令都可以访问I/O端口。内核中包含了以下辅助函数来简化这种访问：

inb( )、inw( )、inl( )
分别从I/O端口读取1、2或4个连续字节。后缀“b”、“w”、“l”分别代表一个字节（8位）、一个字（16位）以及一个长整型（32位）。

inb_p( )、inw_p( )、inl_p( )
分别从I/O端口读取1、2或4个连续字节，然后执行一条“哑元（dummy，即空指令）”指令使CPU暂停。

outb( )、outw( )、outl( )
分别向一个I/O端口写入1、2或4个连续字节。

outb_p( )、outw_p( )、outl_p( )
分别向一个I/O端口写入1、2或4个连续字节，然后执行一条“哑元”指令使CPU暂停。

insb( )、insw( )、insl( )
分别从I/O端口读入以1、2或4个字节为一组的连续字节序列。字节序列的长度由该函数的参数给出。

outsb( )、outsw( )、outsl( )
分别向I/O端口写入以1、2或4个字节为一组的连续字节序列。

流程如下：

当前分配给I/O设备的所有I/O地址的树都可以从/proc/ioports文件中获得。

2、内存映射方式

         将IO端口映射为内存进行访问，在设备打开或驱动模块被加载时，申请IO端口区域并使用ioport_map()映射到内存，之后使用IO内存的函数进行端口访问，最后，在设备关闭或驱动模块被卸载时释放IO端口并释放映射。

映射函数的原型为：
void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);
通过这个函数，可以把port开始的count个连续的I/O端口重映射为一段“内存空间”。然后就可以在其返回的地址上像访问I/O内存一样访问这些I/O端口。但请注意，在进行映射前，还必须通过request_region( )分配I/O端口。

当不再需要这种映射时，需要调用下面的函数来撤消：
void ioport_unmap(void *addr);

在设备的物理地址被映射到虚拟地址之后，尽管可以直接通过指针访问这些地址，但是宜使用Linux内核的如下一组函数来完成访问I/O内存：

·读I/O内存
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
与上述函数对应的较早版本的函数为（这些函数在Linux 2.6中仍然被支持）：
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);
·写I/O内存
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);
与上述函数对应的较早版本的函数为（这些函数在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下访问IO内存

        IO内存的访问方法是：首先调用request_mem_region()申请资源，接着将寄存器地址通过ioremap()映射到内核空间的虚拟地址，之后就可以Linux设备访问编程接口访问这些寄存器了，访问完成后，使用ioremap()对申请的虚拟地址进行释放，并释放release_mem_region()申请的IO内存资源。

struct resource*requset_mem_region(unsigned long start, unsigned long len,char *name);
   这个函数从内核申请len个内存地址（在3G~4G之间的虚地址），而这里的start为I/O物理地址，name为设备的名称。注意：如果分配成功，则返回非NULL，否则，返回NULL。
另外，可以通过/proc/iomem查看系统给各种设备的内存范围。

要释放所申请的I/O内存，应当使用release_mem_region（）函数：
void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len)

申请一组I/O内存后，调用ioremap()函数：
void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned longflags);
其中三个参数的含义为：
phys_addr：与requset_mem_region函数中参数start相同的I/O物理地址；
size：要映射的空间的大小；
flags：要映射的IO空间的和权限有关的标志；

功能：将一个I/O地址空间映射到内核的虚拟地址空间上(通过release_mem_region（）申请到的)

流程如下：

六、ioremap和ioport_map

ioremap函数作用就是将IO物理地址映射成虚拟地址，这样readb/writeb可以访问映射后的地址。mmio映射的IO内存，其物理地址已经在4G地址空间内，与内存的编址方式相同。因此ioremap的作用实际上就是为这一段物理地址建立页表，返回驱动程序可以访问的虚拟地址。

ioport_map函数的目的是试图提供与ioremap一致的虚拟地址空间。这样不论portio还是mmio都可以使用统一的访问函数：ioread8/iowrite8(......)。
我们进入ioport_map和ioport_unmap函数：

1. void __iomem *ioport_map(unsigned long port, unsigned int nr)
   
2. {
   
3.     if (port > PIO_MASK)
   
4.         return NULL;
   
5.     return (void __iomem *) (unsigned long) (port + PIO_OFFSET);
   
6. }
   
7. 
   
8. void ioport_unmap(void __iomem *addr)
   
9. {
   
10.     /* Nothing to do */
    
11. }

其实函数很简单，ioport_map仅仅是将port加上PIO_OFFSET(64k)，而ioport_unmap则什么都不做。这样portio的64k空间就被映射到虚拟地址的64k~128k之间，而ioremap返回的虚拟地址则肯定在3G之上。这样portio和mmio的虚拟地址就被统一起来。
再看ioread8的源码，其实现也就是对虚拟地址进行了判断，以区分portio和mmio，然后分别使用inb/outb，和readb/writeb来读写。

1. unsigned int fastcall ioread8(void __iomem *addr)
   
2. {
   
3.     IO_COND(addr, return inb(port), return readb(addr));
   
4. }
   
5. 
   
6. #define VERIFY_PIO(port) BUG_ON((port & ~PIO_MASK) != PIO_OFFSET)
   
7. #define IO_COND(addr, is_pio, is_mmio) do { \
   
8.     unsigned long port = (unsigned long __force)addr; \
   
9.         if (port < PIO_RESERVED) { \
   
10.             VERIFY_PIO(port); \
    
11.             port &= PIO_MASK; \
    
12.             is_pio; \
    
13.         } else { \
    
14.             is_mmio; \
    
15.         } \
    
16. } while (0)
    
17. 
    
18. 展开：
    
19. unsigned int fastcall ioread8(void __iomem *addr)
    
20. {
    
21.     unsigned long port = (unsigned long __force)addr;
    
22.     if( port < 0x40000UL ) {
    
23.         BUG_ON( (port & ~PIO_MASK) != PIO_OFFSET );
    
24.         port &= PIO_MASK;
    
25.         return inb(port);
    
26.     }else{
    
27.         return readb(addr);
    
28.     }
    
29. }

七、总结

         外设IO寄存器地址独立编址的CPU，这时应该称外设IO寄存器为IO端口，访问IO寄存器可通过ioport_map将其映射到虚拟地址空间，但实际上这是给开发人员制造的一个“假象”，并没有映射到内核虚拟地址，仅仅是为了可以使用和IO内存一样的接口访问IO寄存器；也可以直接使用in/out指令访问IO寄存器。

         例如：Intel x86平台普通使用了名为内存映射（MMIO）的技术，该技术是PCI规范的一部分，IO设备端口被映射到内存空间，映射后，CPU访问IO端口就如同访问内存一样。

         外设IO寄存器地址统一编址的CPU，这时应该称外设IO寄存器为IO内存，访问IO寄存器可通过ioremap将其映射到虚拟地址空间，然后再使用read/write接口访问。

     

 

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