io端口与io内存

驱动程序编写过程中,很少会注意到IO PortIO Mem的区别。虽然使用一些不符合规范的代码可以达到最终目的,这是极其不推荐使用的。

结合下图,我们彻底讲述IO端口和IO内存以及内存之间的关系。主存16M字节的SDRAM,外设是个视频采集卡,上面有16M字节的SDRAM作为缓冲区。


1.    CPUi386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4GIO空间是16位可以寻址到64K

2.    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 PortIO 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.    CPUARMPPC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 PortMem(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。

注意:linux内核给我提供了完全对IO PortIO Mem的支持,然而具体去看看driver目录下的驱动程序,很少按照这个规范去组织IO PortIO Mem资源。对这二者访问最关键问题就是地址的定位C语言中,使用volatile就可以实现。很多的代码访问IO Port中的寄存器时,就使用volatile关键字,虽然功能可以实现,我们还是不推荐使用。就像最简单的延时莫过于while,可是在多任务的系统中是坚决避免的!

 RISC指令系统的CPU(如ARMPowerPC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。

但是,这两者在硬件实现上的差异对于软件来说是完全透明的,驱动程序开发人员可以将内存映射方式的I/O端口和外设内存统一看作是"I/O内存"资源。

一般来说,在系统运行时,外设的I/O内存资源的物理地址是已知的,由硬件的设计决定。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围,驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源,而必须将它们映射到核心虚地址空间内(通过页表),然后才能根据映射所得到的核心虚地址范围,通过访内指令访问这些I/O内存资源。Linuxio.h头文件中声明了函数ioremap(),用来将I/O内存资源的物理地址映射到核心虚地址空间(3GB4GB)中,原型如下:

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

iounmap
函数用于取消ioremap()所做的映射,原型如下:

void iounmap(void * addr);

这两个函数都是实现在mm/ioremap.c文件中。

在将I/O内存资源的物理地址映射成核心虚地址后,理论上讲我们就可以象读写RAM那样直接读写I/O内存资源了。为了保证驱动程序的跨平台的可移植性,我们应该使用Linux中特定的函数来访问I/O内存资源,而不应该通过指向核心虚地址的指针来访问。如在x86平台上,读写I/O的函数如下所示:

#define readb(addr)   (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr))
#define readw(addr)   (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr))
#define readl(addr)    (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr))

#define writeb(b,addr)   (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr) = (b))
#define writew(b,addr)    (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr) = (b))
#define writel(b,addr)    (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr) = (b))

#define memset_io(a,b,c)   memset(__io_virt(a),(b),(c))
#define memcpy_fromio(a,b,c)   memcpy((a),__io_virt(b),(c))
#define memcpy_toio(a,b,c)    memcpy(__io_virt(a),(b),(c))

最后,我们要特别强调驱动程序中mmap函数的实现方法。用mmap映射一个设备,意味着使用户空间的一段地址关联到设备内存上,这使得只要程序在分配的地址范围内进行读取或者写入,实际上就是对设备的访问。

笔者在Linux源代码中进行包含"ioremap"文本的搜索,发现真正出现的ioremap的地方相当少。所以笔者追根索源地寻找I/O操作的物理地址转换到虚拟地址的真实所在,发现Linux有替代ioremap的语句,但是这个转换过程却是不可或缺的。

CPU外设端口物理地址的编址方式有两种:

一种是IO映射方式,另一种是内存映射方式。

  Linux将基于IO映射方式的和内存映射方式的IO端口统称为IO区域(IO region)。

  IO region仍然是一种IO资源,因此它仍然可以用resource结构类型来描述。

  Linux管理IO region

  1) request_region()

  把一个给定区间的IO端口分配给一个IO设备。

  2) check_region()

  检查一个给定区间的IO端口是否空闲,或者其中一些是否已经分配给某个IO设备。

  3) release_region()

  释放以前分配给一个IO设备的给定区间的IO端口。

  Linux中可以通过以下辅助函数来访问IO端口:

  inb(),inw(),inl(),outb(),outw(),outl()

  “b”“w”“l”分别代表8位,16位,32位。

IO内存资源的访问

  1) request_mem_region()

  请求分配指定的IO内存资源。

  2) check_mem_region()

  检查指定的IO内存资源是否已被占用。

  3) release_mem_region()

  释放指定的IO内存资源。

  其中传给函数的start address参数是内存区的物理地址(以上函数参数表已省略)。

  驱动开发人员可以将内存映射方式的IO端口和外设内存统一看作是IO内存资源。

  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。

  Linux中可以通过以下辅助函数来访问IO内存资源:

  readb(),readw(),readl(),writeb(),writew(),writel()

  Linuxkernel/resource.c文件中定义了全局变量ioport_resourceiomem_resource,来分别描述基于IO映射方式的整个IO端口空间和基于内存映射方式的IO内存资源空间(包括IO端口和外设内存)。

内存映射(IO地址和内存地址)

ARM 体系结构下 面内存和 i/o 映射区别
1 )关于 IO 与内存空间:
X86 处理器中存在着 I/O 空间的概念, I/O 空间是相对于内存空间而言的,它通过特定的指令 in out 来访问。端口号标识了外设的寄存器地址 Intel 语法的 in out 指令格式为:
IN 累加器 , { 端口号│ DX}
OUT { 端口号│ DX}, 累加器
目前,大多数嵌入式微控制器如 ARM PowerPC 等中并不提供 I/O 空间,而仅存在内存空间。 内存空间可以直接通过地址、指针来访问,程序和程序运行中使用的变量和其他数据都存在于内存空间中。
即便是在 X86 处理器中,虽然提供了 I/O 空间,如果由我们自己设计电路板,外设仍然可以只挂接在内存空间。此时, CPU 可以像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 I/O 指令。因此,内存空间是必须的,而 I/O 空间是可选的。
2 inb outb
Linux 设备驱动中,宜使用 Linux 内核提供的函数来访问定位于 I/O 空间的端口,这些函数包括:
·  读写字节端口( 8 位宽)
unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsigned char byte, unsigned port);
·  读写字端口( 16 位宽)
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsigned short word, unsigned port);
·  读写长字端口( 32 位宽)
unsigned inl(unsigned port);
void outl(unsigned longword, unsigned port);
·  读写一串字节
void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
·  insb() 从端口 port 开始读 count 个字节端口,并将读取结果写入 addr 指向的内存; outsb() addr 指向的内存的 count 个字节连续地写入 port 开始的端口。
·  读写一串字
void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
·  读写一串长字
void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
上述各函数中 I/O 端口号 port 的类型高度依赖于具体的硬件平台,因此,只是写出了 unsigned
3 readb writeb:
在设备的物理地址被映射到虚拟地址之后,尽管可以直接通过指针访问这些地址,但是工程师宜使用 Linux 内核的如下一组函数来完成设备内存映射的虚拟地址的读写,这些函数包括:
·  I/O 内存
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
与上述函数对应的较早版本的函数为(这些函数在 Linux 2.6 中仍然被支持):
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);
·  I/O 内存
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);
与上述函数对应的较早版本的函数为(这些函数在 Linux 2.6 中仍然被支持):
void writeb(unsigned value, address);
void writew(unsigned value, address);
void writel(unsigned value, address);
4 )把 I/O 端口映射到“内存空间” :
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 I/O 端口重映射为一段“内存空间”。然后就可以在其返回的地址上像访问 I/O 内存一样访问这些 I/O 端口。当不再需要这种映射时,需要调用下面的函数来撤消:
void ioport_unmap(void *addr);
实际上,分析 ioport_map() 的源代码可发现,所谓的映射到内存空间行为实际上是给开发人员制造的一个“假象”,并没有映射到内核虚拟地址,仅仅是为了让工程师可使用统一的 I/O 内存访问接口访问 I/O 端口。

11.2.7 I/O
空间的映射
很多硬件设备都有自己的内存,通常称之为 I/O 空间。 例如,所有比较新的图形卡都有几 MB RAM ,称为显存,用它来存放要在屏幕上显示的屏幕影像。
1
.地址映射
根据设备和总线类型的不同, PC 体系结构中的 I/O 空间可以在三个不同的物理地址范围之间进行映射:
1 )对于连接到 ISA 总线上的大多数设备
I/O
空间通常被映射到从 0xa0000 0xfffff 的物理地址范围,这就在 640K 1MB 之间留出了一段空间,这就是所谓的“洞”。
2 )对于使用 VESA 本地总线( VLB )的一些老设备
这是主要由图形卡使用的一条专用总线: I/O 空间被映射到从 0xe00000 0xffffff 的地址范围中,也就是 14MB 16MB 之间。因为这些设备使页表的初始化更加复杂,因此已经不生产这种设备。
3 )对于连接到 PCI 总线的设备
I/O 空间被映射到很大的物理地址区间,位于 RAM 物理地址的顶端。这种设备的处理比较简单。
2
.访问 I/O 空间
内核如何访问一个 I/O 空间单元? 让我们从 PC 体系结构开始入手,这个问题很容易就可以解决,之后我们再进一步讨论其他体系结构。

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