I/O空间-----I/O端口和I/O内存
首先上图,如下:外设中的寄存器被称为
I/O端口,外设中的内存被称为
I/O内存。二者合起来统称为
I/O空间。
设备驱动程序要直接访问外设或其接口卡上的物理电路,这部分通常都是以寄存器的形式出现。外设寄存器称为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。根据访问外设寄存器的不同方式,可以把 CPU分成两大类。
一类CPU(如M68K,Power PC,ARM,Unicore等)把这些寄存器看作内存的一部分,寄存器参与内存统一编址,访问寄存器就通过访问一般的内存指令进行,所以,这种CPU没有专门用于设备I/O的指令(可以以此判定体系为哪种)。这就是所谓的“I/O内存”方式。
另一类CPU(如X86)将外设的寄存器看成一个独立的地址空间,所以访问内存的指令不能用来访问这些寄存 器,而要为对外设寄存器的读/写设置专用指令,如IN和OUT指令。这就是所谓的” I/O端口”方式 。但是,用于I/O指令的“地址空间”相对来说是很小的。事实上,现在x86的I/O地址空间已经非常拥挤。
但是,随着计算机技术的发 展,单纯的”I/O端口"方式无法满足实际需要了,因为这种方式只能对外设中的几个寄存器进行操作。而实际上,需求在不断发生变化,例如,在PC上可以插上一 块显卡,有2MB的存储空间(设备内存),甚至可能还带有ROM,其中装有可执行代码。自从PCI总线出现后,不管CPU的设计采用I/O端口方式还是I/O内存方式,都必须将外设卡上的存储器映射到内存空间,实际上是采用了虚存空间的手段,这样的映射是通过ioremap()来建立的。
1. CPU是i386架构的情况在i386系列的处理中,内存和外部IO是独立编址,也是独立寻址的。MEM的内存空间是32位可以寻址到4G,IO空间是16位可以寻址到64K。
2. 在Linux内核中,访问外设上的IO Port必须通过IO Port的寻址方式。而访问IO Mem就比较罗嗦,外部MEM不能和主存一样访问,虽然大小上不相上下,可是外部MEM是没有在系统中注册的。访问外部IO MEM必须通过remap映射到内核的MEM空间后才能访问。为了达到接口的同一性,内核提供了IO Port到IO Mem的映射函数。映射后IO Port就可以看作是IO Mem,按照IO Mem的访问方式即可。
3. CPU是ARM 或PPC或Unicore 架构的情况:
在这一类的嵌入式处理器中,IO Port的寻址方式是采用内存映射,也就是IO bus就是Mem bus。系统的寻址能力如果是32位,IO Port+Mem(包括IO Mem)可以达到4G。
访问这类IO Port时,我们也可以用IO Port专用寻址方式。至于在对IO Port寻址时,内核是具体如何完成的,这个在内核移植时就已经完成。在这种架构的处理器中,仍然保持对IO Port的支持,完全是i386架构遗留下来的问题,在此不多讨论。而访问IO Mem的方式和i386一致。
RISC指令系统的CPU(如ARM、PowerPC等)通常只实现一个物理地址空间,外设I/O端口成为内存的一部分。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。
I/O端口编址方式
![I/O空间介绍_第2张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/11cde86ab4684c8c902385627d6e708c.jpg)
先有个概念,I/O端口是CPU对外部设备的抽象。 对一个CPU来说,所有它所管理(或访问)的资源无非包括:
1.寄存器组。粗糙的划分通常包括通用寄存器组(x86中就是你用的ex,bx等寄存器),特殊寄存器组(如标志寄存器,timer,interrupt等,当然这些设备你可以看作外部设备) 。
2.存储器。粗糙的划分通常包括程序存储器,数据存储器。
3.外部设备。比如打印机,PCI桥,USB等等。另外上面timer,interrupt等等有时也按外部设备处理。
把这些资源统统放在一个大的集合中,就构成了CPU所管理的资源集。CPU管理这些资源时需要为这个集合中每个元素分配一个标志来区分。这个标志就是地址。
编码地址由下面几个要素组成:
地址 = {资源类别,资源大小};
对CPU指令来说, 通常资源类别编码在指令码中(如i独立编址),也有编码在地址码中(如统一编址),还有直接硬件区分(如哈佛结构的程序存储器与数据存储器分开)。比如
x86的in,inp,outp指令,实际上指令码本身就编码有资源类别信息。 资源大小编码在地址码中。
按照上面的模型,那么CPU所有资源都可以以地址:{资源类别,资源大小} 来找到。
这里I/O端口就对应实际的物理设备,而I/O空间地址就是该物理设备对应的标志码及设备地址。可以这样说,I/O Space代表所有I/O设备集合,而I/O端口是该集合中的一个
元素。 (当然有时直接称I/O端口就是外部设备地址) 。IO 端口和 IO Space 的关系,其实就和 “虚拟地址和地址空间” 的关系一样。 例:虚拟地址 00401000 在 虚拟地址空间:
0~FFFFFFFF 中。 IO 端口是个物理地址,IO Space 是个物理地址空间。
深入一点来说: IO 地址空间范围:0000 ~ FFFF 共16位的空间里,分两种类型映射:固定映射和可变映射。 固定映射,比如 70/71 这些地址是固定的。 可变映射通过对
芯片组控制(如南桥)将设备映射在可变地址空间。
更进一步来说: IO 地址既可映射到 IO Space(独立编址),有些设备IO地址也可映射到 Memory space (统一编址)中去。同样对(北桥,南桥)进行设置,象 in
al,71h 这条指令地址送往 south bridge(南桥)解析,典型就是 cmos 的地址。
IO端口两种编址方式:独立编址和统一编址
统一编址:外设接口中的IO寄存器(即IO端口)与主存单元一样看待,每个端口占用一个存储单元的地址,将主存的一部分划出来用作IO地址空间,如,在 PDP-11中,把最高的4K主存作为IO设备寄存器地址。端口占用了存储器的地址空间,使存储量容量减小。 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”)。
独立编址(单独编址):IO地址与存储地址分开独立编址(I/O地址统一形成I/O Space),I/0端口地址不占用存储空间的地址范围,这样,在系统中就存在了另一种与存储地址无关的IO地 址,CPU也必须具有专用与输入输出操作的IO指令(IN、OUT等)和控制逻辑。独立编址下,地址总线上过来一个地址,设备不知道是给IO端口的、还是给存储器的,于是处理器通过MEMR/MEMW和IOR/IOW两组控制信号来实现对I/O端口和存储器的不同寻址。如,intel 80x86就采用单独编址,CPU内存和I/O是一起编址的,就是说内存一部分的地址和I/O地址是重叠的。 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”。 对于x86架构来说,通过IN/OUT指令访问。PC架构一共有65536个8bit的I/O端口,组成64K个I/O地址空间,编号从 0~0xFFFF,有16位,80x86用低16位地址线A0-A15来寻址。连续两个8bit的端口可以组成一个16bit的端口,连续4个组成一个 32bit的端口。
I/O地址空间和CPU的物理地址空间是两个不同的概念,例如I/O地址空间为64K,一个32bit的CPU物理地址空间是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
……
不过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。看Intel TA 719文档给出的x86/x64系统典型内存地址分配表:
系统资源占用
------------------------------------------------------------------------
BIOS 1M
本地APIC 4K
芯片组保留 2M IO
APIC 4K
PCI设备 256M
PCI Express设备 256M
PCI设备(可选) 256M
显示帧缓存 16M
TSEG 1M
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()。
对I/O空间的访问
1、访问I/O内存(I/O内存必须映射到内存空间)的流程是:
request_mem_region() -> ioremap() -> ioread8()/iowrite8() -> iounmap() -> release_mem_region() 。
前面说过,IO内存是统一编址下的概念,对于统一编址,IO地址空间是物理主存的一部分,对于编程而言,我们只能操作虚拟内存,所以,访问的第一步就是要把设备所处
的物理地址映射到虚拟地址,Linux2.6下用ioremap(): void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size); ioremap()用来将IO资源的物理地址映射到内核虚地址空间(
3GB - 4GB)中,参数addr是指向内核虚地址的指针。然后,我们可以直接通过指针来访问这些地址,但是也可以用Linux内核的一组函数来读写: ioread8(), iowrite16(),
ioread8_rep(), iowrite8_rep()......
2、访问I/O端口
访问IO端口有2种途径(对于独立编址系统体系):
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。
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IO端口映射为一段“内存空间”,然后就可以在其返回的地址是像访
问IO内存一样访问这些IO端口。