一文讀懂Linux下如何訪問I/O端口和I/O內存

　　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：