Linux系統對IO端口和IO內存的管理

一、I/O端口

端口（port）是接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器的地址。幾乎每一種外設都是通過讀寫設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送命令，讀取狀態和傳送數據。外設寄存器也稱為“I/O端口”，通常包括：控制寄存器、狀態寄存器和數據寄存器三大類，而且一個外設的寄存器通常被連續地編址。

二、IO內存

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,其中裝有可執行代碼。

三、IO端口和IO內存的區分及聯系

這兩者如何區分就涉及到硬件知識，X86體系中，具有兩個地址空間：IO空間和內存空間，而RISC指令系統的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只實現一個物理地址空間，即內存空間。
內存空間：內存地址尋址范圍，32位操作系統內存空間為2的32次冪，即4G。
IO空間：X86特有的一個空間，與內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內存：當寄存器或內存位于內存空間時，稱為IO內存。

四、外設IO端口物理地址的編址方式

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。

1、統一編址

　　RISC指令系統的CPU（如，PowerPC、m68k、ARM等）通常只實現一個物理地址空間（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，而成為內存的一部分。此時，CPU可以象訪問一個內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。

統一編址也稱為“I/O內存”方式，外設寄存器位于“內存空間”（很多外設有自己的內存、緩沖區，外設的寄存器和內存統稱“I/O空間”）。

2、獨立編址

而另外一些體系結構的CPU（典型地如X86）則為外設專門實現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）。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，外設寄存器位于“I/O（地址）空間”。

3、優缺點

獨立編址主要優點是：
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。

統一編址優點：
1）、由于對I/O設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端口可實現輸入/輸出操作，而且還可對端口內容進行算術邏輯運算，移位等等；
2）、另外，能給端口有較大的編址空間，這對大型控制系統和數據通信系統是很有意義的。
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，因而執行速度較慢。
究竟采用哪一種取決于系統的總體設計。在一個系統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中都有I/O指令，并設置了可以區分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，只能采用存儲器統一編址。

五、Linux下訪問IO端口

對于某一既定的系統，它要么是獨立編址、要么是統一編址，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，大多數嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并不提供I/O空間，僅有內存空間，可直接用地址、指針訪問。但對于Linux內核而言，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映射方式的或內存映射方式的I/O端口通稱為“I/O區域”（I/O region），不論你采用哪種方式，都要先申請IO區域：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）、內存映射方式（Memory－mapped）。前一種途徑不映射到內存空間，直接使用 intb()/outb()之類的函數來讀寫IO端口；后一種MMIO是先把IO端口映射到IO內存（“內存空間”），再使用訪問IO內存的函數來訪問 IO端口。

1、I/O映射方式

直接使用IO端口操作函數：在設備打開或驅動模塊被加載時申請IO端口區域，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。內核中包含了以下輔助函數來簡化這種訪問：

inb( )、inw( )、inl( )
分別從I/O端口讀取1、2或4個連續字節。后綴“b”、“w”、“l”分別代表一個字節（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個連續字節，然后執行一條“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個連續字節。

outb_p( )、outw_p( )、outl_p( )
分別向一個I/O端口寫入1、2或4個連續字節，然后執行一條“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個字節為一組的連續字節序列。字節序列的長度由該函數的參數給出。

outsb( )、outsw( )、outsl( )
分別向I/O端口寫入以1、2或4個字節為一組的連續字節序列。

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端口寫入數據；但是，如果其他硬件設備已經使用這個端口，那么系統就會崩潰。為了防止這種情況的發生，內核必須使用“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數據結構中:

所有的同種資源都插入到一個樹型數據結構（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點為ioport_resource的樹中。節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，樹中的每個節點肯定相當于父節點對應范圍的一個子范圍。I/O端口資源樹(ioport_resource)的根節點跨越了整個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，傳遞給它們的參數為資源樹的根節點和要插入的新資源數據結構的地址：

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。

內核也為以上函數定義了一些應用于I/O端口的快捷函數：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、內存映射方式

將IO端口映射為內存進行訪問，在設備打開或驅動模塊被加載時，申請IO端口區域并使用ioport_map()映射到內存，之后使用IO內存的函數進行端口訪問，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。

映射函數的原型為：
void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);
通過這個函數，可以把port開始的count個連續的I/O端口重映射為一段“內存空間”。然后就可以在其返回的地址上像訪問I/O內存一樣訪問這些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內核的如下一組函數來完成訪問I/O內存：·讀I/O內存
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
與上述函數對應的較早版本的函數為（這些函數在Linux 2.6中仍然被支持）：
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);
·寫I/O內存
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);
與上述函數對應的較早版本的函數為（這些函數在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IO內存

IO內存的訪問方法是：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內存資源。

struct resource *requset_mem_region(unsigned long start, unsigned long len,char *name);
這個函數從內核申請len個內存地址（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查看系統給各種設備的內存范圍。

要釋放所申請的I/O內存，應當使用release_mem_region（）函數：
void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len)

申請一組I/O內存后， 調用ioremap()函數：
void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);
其中三個參數的含義為：
phys_addr：與requset_mem_region函數中參數start相同的I/O物理地址；
size：要映射的空間的大小；
flags：要映射的IO空間的和權限有關的標志；

功能：將一個I/O地址空間映射到內核的虛擬地址空間上(通過release_mem_region（）申請到的)

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()的源代碼可發現，所謂的映射到內存空間行為實際上是給開發人員制造的一個“假象”，并沒有映射到內核虛擬地址，僅僅是為了讓工程師可使用統一的I/O內存訪問接口ioread8/iowrite8(......)訪問I/O端口。
最后來看一下ioread8的源碼，其實現也就是對虛擬地址進行了判斷，以區分IO端口和IO內存，然后分別使用inb/outb和readb/writeb來讀寫。

七、總結

外設IO寄存器地址獨立編址的CPU，這時應該稱外設IO寄存器為IO端口，訪問IO寄存器可通過ioport_map將其映射到虛擬地址空間，但實際上這是給開發人員制造的一個“假象”，并沒有映射到內核虛擬地址，僅僅是為了可以使用和IO內存一樣的接口訪問IO寄存器；也可以直接使用in/out指令訪問IO寄存器。

例如：Intel x86平臺普通使用了名為內存映射（MMIO）的技術，該技術是PCI規范的一部分，IO設備端口被映射到內存空間，映射后，CPU訪問IO端口就如同訪 問內存一樣。

外設IO寄存器地址統一編址的CPU，這時應該稱外設IO寄存器為IO內存，訪問IO寄存器可通過ioremap將其映射到虛擬地址空間，然后再使用read/write接口訪問。