一文讀懂Linux下如何訪問(wèn)I/O端口和I/O內(nèi)存

　　雖然訪問(wèn)I/O端口非常簡(jiǎn)單，但是檢測(cè)哪些I/O端口已經(jīng)分配給I/O設(shè)備可能就不這么簡(jiǎn)單了，對(duì)基于ISA總線的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更是如此。通常，I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榱颂綔y(cè)硬件設(shè)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(shè)備已經(jīng)使用這個(gè)端口，那么系統(tǒng)就會(huì)崩潰。為了防止這種情況的發(fā)生，內(nèi)核必須使用“資源”來(lái)記錄分配給每個(gè)硬件設(shè)備的I/O端口。資源表示某個(gè)實(shí)體的一部分，這部分被互斥地分配給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這里，資源表示I/O端口地址的一個(gè)范圍。每個(gè)資源對(duì)應(yīng)的信息存放在resource數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)束

　　4. const char *name; //資源擁有者的名字

　　5. unsigned long flags;// 各種標(biāo)志

　　6. struct resource *parent, *sibling, *child;// 指向資源樹中父親，兄弟和孩子的指針

　　};

　　所有的同種資源都插入到一個(gè)樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(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(gè)根節(jié)點(diǎn)為ioport_resource的樹中。節(jié)點(diǎn)的孩子被收集在一個(gè)鏈表中，其第一個(gè)元素由child指向。sibling字段指向鏈表中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　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(shuō)從0xf000 到 0xf00f。那么，start字段為0xf000 且end 字段為0xf00f的這樣一個(gè)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(shè)備驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序把兩個(gè)子范圍對(duì)應(yīng)的孩子插入到從0xf000 到0xf00f的整個(gè)范圍對(duì)應(yīng)的資源下。

　　一般來(lái)說(shuō)，樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)肯定相當(dāng)于父節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)范圍的一個(gè)子范圍。I/O端口資源樹(ioport_resource)的根節(jié)點(diǎn)跨越了整個(gè)I/O地址空間(從端口0到65535)。

　　任何設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都可以使用下面三個(gè)函數(shù)，傳遞給它們的參數(shù)為資源樹的根節(jié)點(diǎn)和要插入的新資源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地址：

　　request_resource( ) //把一個(gè)給定范圍分配給一個(gè)I/O設(shè)備。

　　allocate_resource( ) //在資源樹中尋找一個(gè)給定大小和排列方式的可用范圍;若存在，將這個(gè)范圍分配給一個(gè)I/O設(shè)備(主要由PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用，可以使用任意的端口號(hào)和主板上的內(nèi)存地址對(duì)其進(jìn)行配置)。

　　release_resource( ) //釋放以前分配給I/O設(shè)備的給定范圍。

　　內(nèi)核也為以上函數(shù)定義了一些應(yīng)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(dāng)前分配給I/O設(shè)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(jìn)行訪問(wèn)，在設(shè)備打開或驅(qū)動(dòng)模塊被加載時(shí)，申請(qǐng)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(jìn)行端口訪問(wèn)，最后，在設(shè)備關(guān)閉或驅(qū)動(dòng)模塊被卸載時(shí)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(guò)這個(gè)函數(shù)，可以把port開始的count個(gè)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(wèn)I/O內(nèi)存一樣訪問(wèn)這些I/O端口。但請(qǐng)注意，在進(jìn)行映射前，還必須通過(guò)request_region( )分配I/O端口。

　　當(dāng)不再需要這種映射時(shí)，需要調(diào)用下面的函數(shù)來(lái)撤消：

　　void ioport_unmap(void *addr);

　　在設(shè)備的物理地址被映射到虛擬地址之后，盡管可以直接通過(guò)指針訪問(wèn)這些地址，但是宜使用Linux內(nèi)核的如下一組函數(shù)來(lái)完成訪問(wèn)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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：

　　六、Linux下訪問(wèn)IO內(nèi)存

　　IO內(nèi)存的訪問(wèn)方法是：首先調(diào)用request_mem_region()申請(qǐng)資源，接著將寄存器地址通過(guò)ioremap()映射到內(nèi)核空間的虛擬地址，之后就可以Linux設(shè)備訪問(wèn)編程接口訪問(wèn)這些寄存器了，訪問(wèn)完成后，使用ioremap()對(duì)申請(qǐng)的虛擬地址進(jìn)行釋放，并釋放release_mem_region()申請(qǐng)的IO內(nèi)存資源。

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

　　這個(gè)函數(shù)從內(nèi)核申請(qǐng)len個(gè)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(shè)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(guò)/proc/iomem查看系統(tǒng)給各種設(shè)備的內(nèi)存范圍。

　　要釋放所申請(qǐng)的I/O內(nèi)存，應(yīng)當(dāng)使用release_mem_region()函數(shù)：

　　void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len)

　　申請(qǐng)一組I/O內(nèi)存后， 調(diào)用ioremap()函數(shù)：

　　void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);

　　其中三個(gè)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：要映射的空間的大小;

　　flags：要映射的IO空間的和權(quán)限有關(guān)的標(biāo)志;

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

　　流程如下：

　　七、ioremap和ioport_map

　　下面具體看一下ioport_map和ioport_umap的源碼：

　　void __iomem *ioport_map(unsigned long port, unsigned int nr)

　　{

　　1.

　　if (port > PIO_MASK)

　　2.

　　return NULL;

　　3.

　　return (void __iomem *) (unsigned long) (port + PIO_OFFSET);

　　4.

　　}

　　5.

　　6.

　　void ioport_unmap(void __iomem *addr)

　　7.

　　{

　　8.

　　/* Nothing to do */

　　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(shí)際上是給開發(fā)人員制造的一個(gè)“假象”，并沒(méi)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(wèn)接口ioread8/iowrite8(......)訪問(wèn)I/O端口。

　　最后來(lái)看一下ioread8的源碼，其實(shí)現(xiàn)也就是對(duì)虛擬地址進(jìn)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(lái)讀寫。

　　unsigned int fastcall ioread8(void __iomem *addr)

　　{

　　IO_COND(addr, return inb(port), return readb(addr));

　　}

　　#define VERIFY_PIO(port) BUG_ON((port & ~PIO_MASK) != PIO_OFFSET)

　　#define IO_COND(addr, is_pio, is_mmio) do { 

　　unsigned long port = (unsigned long __force)addr; 

　　if (port < PIO_RESERVED) { 

　　VERIFY_PIO(port); 

　　port &= PIO_MASK; 

　　is_pio; 

　　} else { 

　　is_mmio; 

　　} 

　　} while (0)

　　展開：

　　unsigned int fastcall ioread8(void __iomem *addr)

　　{

　　unsigned long port = (unsigned long __force)addr;

　　if( port < 0x40000UL ) {

　　BUG_ON( (port & ~PIO_MASK) != PIO_OFFSET );

　　port &= PIO_MASK;

　　return inb(port);

　　}else{

　　return readb(addr);

　　}

　　}

　　八、總結(jié)

　　外設(shè)IO寄存器地址獨(dú)立編址的CPU，這時(shí)應(yīng)該稱外設(shè)IO寄存器為IO端口，訪問(wèn)IO寄存器可通過(guò)ioport_map將其映射到虛擬地址空間，但實(shí)際上這是給開發(fā)人員制造的一個(gè)“假象”，并沒(méi)有映射到內(nèi)核虛擬地址，僅僅是為了可以使用和IO內(nèi)存一樣的接口訪問(wèn)IO寄存器;也可以直接使用in/out指令訪問(wèn)IO寄存器。

　　例如：Intel x86平臺(tái)普通使用了名為內(nèi)存映射(MMIO)的技術(shù)，該技術(shù)是PCI規(guī)范的一部分，IO設(shè)備端口被映射到內(nèi)存空間，映射后，CPU訪問(wèn)IO端口就如同訪 問(wèn)內(nèi)存一樣。

　　外設(shè)IO寄存器地址統(tǒng)一編址的CPU，這時(shí)應(yīng)該稱外設(shè)IO寄存器為IO內(nèi)存，訪問(wèn)IO寄存器可通過(guò)ioremap將其映射到虛擬地址空間，然后再使用read/write接口訪問(wèn)。