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標題: 詳解IO端口與IO內(nèi)存 [打印本頁]
作者: 技術小白    時間: 2017-11-20 15:13
標題: 詳解IO端口與IO內(nèi)存
（一）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，這是由硬件設計來決定的，因此在32bits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，因為還有一部分要給總線用（總線上還掛著別的許多設備）。在PC機中，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系由系統(tǒng)的設計決定的。在x86平臺上，物理地址就是總線地址，這是因為它們共享相同的地址空間——這句話有點難理解，詳見下面的“獨立編址”。在其他平臺上，可能需要轉換/映射。比如：CPU需要訪問物理地址是0xfa000的單元，那么在x86平臺上，會產(chǎn)生一個PCI總線上對0xfa000地址的訪問。因為物理地址和總線地址相同。

3）虛擬地址：現(xiàn)代操作系統(tǒng)普遍采用虛擬內(nèi)存管理（VirtualMemory Management）機制，這需要MMU（MemoryManagement 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將這個地址翻譯成另一個地址發(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)中每個進程有各自的私有用戶空間（0～3G），這個空間對系統(tǒng)中的其他進程是不可見的。

CPU發(fā)出取指令請求時的地址是當前上下文的虛擬地址，MMU再從頁表中找到這個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var就是一個虛擬地址，也是通過MMU從也表中來找到物理地址，再產(chǎn)生總線時序，完成取數(shù)據(jù)的。

（二）編址方式

1）對外設的編址
外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行的，外設寄存器也稱為“I/O端口”，而IO端口有兩種編址方式：獨立編址和統(tǒng)一編制。

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

統(tǒng)一編址也稱為“I/O內(nèi)存”方式，外設寄存器位于“內(nèi)存空間”（很多外設有自己的內(nèi)存、緩沖區(qū)，外設的寄存器和內(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、RAM等瓜分：
0x8000 1000    LED 8*8點陣的地址
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

獨立編址（單獨編址）：IO地址與存儲地址分開獨立編址，I/0端口地址不占用存儲空間的地址范圍，這樣，在系統(tǒng)中就存在了另一種與存儲地址無關的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。獨立編址下，地址總線上過來一個地址，設備不知道是給IO端口的、還是給存儲器的，于是處理器通過MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號來實現(xiàn)對I/O端口和存儲器的不同尋址。如，intel80x86就采用單獨編址，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。

獨立編址也稱為“I/O端口”方式，外設寄存器位于“I/O（地址）空間”。

對于x86架構來說，通過IN/OUT指令訪問。PC架構一共有65536個8bit的I/O端口，組成64K個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8bit的端口可以組成一個16bit的端口，連續(xù)4個組成一個 32bit的端口。I/O地址空間和CPU的物理地址空間是兩個不同的概念，例如I/O地址空間為64K，一個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：
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Intelx86平臺普通使用了名為內(nèi)存映射（MMIO）的技術，該技術是PCI規(guī)范的一部分，IO設備端口被映射到內(nèi)存空間，映射后，CPU訪問IO端口就如同訪問內(nèi)存一樣。看IntelTA 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
BIOS  1M
本地APIC 4K
芯片組保留 2M
IO APIC  4K
PCI設備 256M
PCI Express設備256M
PCI設備（可選） 256M
顯示幀緩存 16M
TSEG  1M

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的體系結構。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()，結束時釋放它：release_resource()。

（三）不同體系結構編址方式總結
幾乎每一種外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行的。外設寄存器也稱為“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，而且一個外設的寄存器通常被連續(xù)地編址。CPU對外設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的體系結構。

有些體系結構的CPU（如，PowerPC、m68k等）通常只實現(xiàn)一個物理地址空間（RAM）。在這種情況下，外設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I/O端口，而不需要設立專門的外設I/O指令。這就是所謂的“內(nèi)存映射方式”（Memory－mapped）。

而另外一些體系結構的CPU（典型地如X86）則為外設專門實現(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，所有外設的I/O端口均在這一空間中進行編址。CPU通過設立專門的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）。這就是所謂的“I/O映射方式”（I/O－mapped）。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。

Linux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/Oregion）。在討論對I/O區(qū)域的管理之前，我們首先來分析一下Linux是如何實現(xiàn)“I/O資源”這一抽象概念的.

（四）IO端口與IO內(nèi)存區(qū)別
在驅動程序編寫過程中，很少會注意到IO Port和IO Mem的區(qū)別。雖然使用一些不符合規(guī)范的代碼可以達到最終目的，這是極其不推薦使用的。

結合下圖，我們徹底講述IO端口和IO內(nèi)存以及內(nèi)存之間的關系。主存16M字節(jié)的SDRAM，外設是個視頻采集卡，上面有16M字節(jié)的SDRAM作為緩沖區(qū)。

1.  CPU是i386架構的情況
在i386系列的處理中，內(nèi)存和外部IO是獨立編址，也是獨立尋址的。MEM的內(nèi)存空間是32位可以尋址到4G，IO空間是16位可以尋址到64K。

在Linux內(nèi)核中，訪問外設上的IO Port必須通過IO Port的尋址方式。而訪問IO Mem就比較羅嗦，外部MEM不能和主存一樣訪問，雖然大小上不相上下，可是外部MEM是沒有在系統(tǒng)中注冊的。訪問外部IO MEM必須通過remap映射到內(nèi)核的MEM空間后才能訪問。
為了達到接口的同一性，內(nèi)核提供了IO Port到IO Mem的映射函數(shù)。映射后IO Port就可以看作是IO Mem，按照IO Mem的訪問方式即可。

2. CPU是ARM 或PPC架構的情況

在這一類的嵌入式處理器中，IO Port的尋址方式是采用內(nèi)存映射，也就是IO bus就是Mem bus。系統(tǒng)的尋址能力如果是32位，IO Port＋Mem（包括IO Mem）可以達到4G。

訪問這類IO Port時，我們也可以用IO Port專用尋址方式。至于在對IO Port尋址時，內(nèi)核是具體如何完成的，這個在內(nèi)核移植時就已經(jīng)完成。在這種架構的處理器中，仍然保持對IO Port的支持，完全是i386架構遺留下來的問題，在此不多討論。而訪問IO Mem的方式和i386一致。

3、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/Oports,這個I/O端口可以被映射在MemorySpace,也可以被映射在I/OSpace。

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

（五）在Linux下對IO端口與IO內(nèi)存訪問方式總結

1）在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的體系結構。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()，結束時釋放它：release_resource()。

IO region是一種IO資源，因此它可以用resource結構類型來描述。

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)：在設備打開或驅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，最后在設備關閉或驅動被卸載時釋放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：
雖然訪問I/O端口非常簡單，但是檢測哪些I/O端口已經(jīng)分配給I/O設備可能就不這么簡單了，對基于ISA總線的系統(tǒng)來說更是如此。通常，I/O設備驅動程序為了探測硬件設備，需要盲目地向某一I/O端口寫入數(shù)據(jù)；但是，如果其他硬件設備已經(jīng)使用這個端口，那么系統(tǒng)就會崩潰。為了防止這種情況的發(fā)生，內(nèi)核必須使用“資源”來記錄分配給每個硬件設備的I/O端口。資源表示某個實體的一部分，這部分被互斥地分配給設備驅動程序。在這里，資源表示I/O端口地址的一個范圍。每個資源對應的信息存放在resource數(shù)據(jù)結構中:

1. struct resource {  
2.          resource_size_t start;// 資源范圍的開始  
3.          resource_size_t end;// 資源范圍的結束  
4.          const char *name; //資源擁有者的名字  
5.          unsigned long flags;// 各種標志  
6.          struct resource *parent, *sibling, *child;// 指向資源樹中父親，兄弟和孩子的指針  
7. };  

所有的同種資源都插入到一個樹型數(shù)據(jù)結構（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根節(jié)點為ioport_resource的樹中。節(jié)點的孩子被收集在一個鏈表中，其第一個元素由child指向。sibling字段指向鏈表中的下一個節(jié)點。

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－比如說從0xf000到 0xf00f。那么，start字段為0xf000且end 字段為0xf00f的這樣一個資源包含在樹中，控制器的常規(guī)名字存放在name字段中。但是，IDE設備驅動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，設備驅動程序把兩個子范圍對應的孩子插入到從0xf000到0xf00f的整個范圍對應的資源下。一般來說，樹中的每個節(jié)點肯定相當于父節(jié)點對應范圍的一個子范圍。I/O端口資源樹(ioport_resource)的根節(jié)點跨越了整個I/O地址空間（從端口0到65535）。

任何設備驅動程序都可以使用下面三個函數(shù)，傳遞給它們的參數(shù)為資源樹的根節(jié)點和要插入的新資源數(shù)據(jù)結構的地址：
request_resource()        //把一個給定范圍分配給一個I/O設備。
allocate_resource()        //在資源樹中尋找一個給定大小和排列方式的可用范圍；若存在，將這個范圍分配給一個I/O設備（主要由PCI設備驅動程序使用，可以使用任意的端口號和主板上的內(nèi)存地址對其進行配置）。
release_resource()      //釋放以前分配給I/O設備的給定范圍。

內(nèi)核也為以上函數(shù)定義了一些應用于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。當前分配給I/O設備的所有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)存進行訪問，在設備打開或驅動模塊被加載時，申請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)進行端口訪問，最后，在設備關閉或驅動模塊被卸載時釋放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);

通過這個函數(shù)，可以把port開始的count個連續(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I/O內(nèi)存一樣訪問這些I/O端口。但請注意，在進行映射前，還必須通過request_region()分配I/O端口。

當不再需要這種映射時，需要調用下面的函數(shù)來撤消：
void ioport_unmap(void *addr);
在設備的物理地址被映射到虛擬地址之后，盡管可以直接通過指針訪問這些地址，但是宜使用Linux內(nèi)核的如下一組函數(shù)來完成訪問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)對應的較早版本的函數(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)對應的較早版本的函數(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：

2）Linux下訪問IO內(nèi)存

IO內(nèi)存的訪問方法是：首先調用request_mem_region()申請資源，接著將寄存器地址通過ioremap()映射到內(nèi)核空間的虛擬地址，之后就可以Linux設備訪問編程接口訪問這些寄存器了，訪問完成后，使用ioremap()對申請的虛擬地址進行釋放，并釋放release_mem_region()申請的IO內(nèi)存資源。

struct resource*requset_mem_region(unsigned long start, unsigned long len,char *name);

這個函數(shù)從內(nèi)核申請len個內(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/proc/iomem查看系統(tǒng)給各種設備的內(nèi)存范圍。

要釋放所申請的I/O內(nèi)存，應當使用release_mem_region（）函數(shù)：
void release_mem_region(unsigned longstart, unsigned long len)
申請一組I/O內(nèi)存后，調用ioremap()函數(shù)：
void* ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);

其中三個參數(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空間的和權限有關的標志；
功能：將一個I/O地址空間映射到內(nèi)核的虛擬地址空間上(通過requset _mem_region（）申請到的)

流程如下：

3）ioremap和ioport_map
下面具體看一下ioport_map和ioport_umap的源碼：

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. }  

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)存空間行為實際上是給開發(fā)人員制造的一個“假象”，并沒有映射到內(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)存訪問接口ioread8/iowrite8(......)訪問I/O端口。

最后來看一下ioread8的源碼，其實現(xiàn)也就是對虛擬地址進行了判斷，以區(qū)分IO端口和IO內(nèi)存，然后分別使用inb/outb和readb/writeb來讀寫。

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. 展開：  
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. }  



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