iomem—I/O映射方式的I/O端口和内存映射方式的I/O端口

Linux将基于I/O映射方式的I/O端口和基于内存映射方式的I/O端口资源统称为“I/O区域”（I/O Region）。I/O Region仍然是一种I/O资源，因此它仍然可以用resource结构类型来描述。下面我们就来看看Linux是如何管理I/O Region的。

3．3．1 I/O Region的分配

在函数__request_resource()的基础上，Linux实现了用于分配I/O区域的函数__request_region()，如下:

 

 1  struct  resource  *  __request_region( struct  resource  * parent,
 2  　　　　unsigned  long  start, unsigned  long  n,  const   char   * name)
 3  　　{
 4  　　 struct  resource  * res  =  kmalloc( sizeof ( * res), GFP_KERNEL);
 5  　　
 6  　　 if  (res) {
 7  　　memset(res,  0 ,  sizeof ( * res));
 8  　　res -> name  =  name;
 9  　　res -> start  =  start;
10  　　res -> end  =  start  +  n  -   1 ;
11  　　res -> flags  =  IORESOURCE_BUSY;
12  　　
13  　　write_lock( & resource_lock);
14  　　
15  　　 for  (;;) {
16  　　 struct  resource  * conflict;
17  　　
18  　　conflict  =  __request_resource(parent, res);
19  　　 if  ( ! conflict)
20  　　 break ; 
21 
22  　　 if  (conflict  !=  parent) {
23  　　parent  =  conflict;
24  　　 if  ( ! (conflict -> flags  &  IORESOURCE_BUSY))
25  　　 continue ;
26  　　}
27  　　
28  　　 /*  Uhhuh, that didn't work out..  */
29  　　kfree(res);
30  　　res  =  NULL;
31  　　 break ;
32  　　}
33  　　write_unlock( & resource_lock);
34  　　}
35  　　 return  res;
36  　　}
37 

NOTE：
　　
　　　　①首先，调用kmalloc（）函数在SLAB分配器缓存中分配一个resource结构。
　　
　　　　②然后，相应的根据参数来填充resource结构。注意！flags成员被初始化为IORESOURCE_BUSY。
　　
　　　　③接下来，用一个for循环开始进行资源分配，循环体的步骤如下：
　　
　　　　l 首先，调用__request_resource()函数进行资源分配。如果返回NULL，说明分配成功，因此就执行break语句推出for循环，返回所分配的resource结构的指针，函数成功地结束。
　　
　　　　l 如果__request_resource()函数分配不成功，则进一步判断所返回的冲突资源节点是否就是父资源节点parent。如果不是，则将分配行为下降一个层次，即试图在当前冲突的资源节点中进行分配（只有在冲突的资源节点没有设置IORESOURCE_BUSY的情况下才可以），于是让 parent指针等于conflict，并在conflict->flags&IORESOURCE_BUSY为0的情况下执行 continue语句继续for循环。

　　　　l 否则如果相冲突的资源节点就是父节点parent，或者相冲突资源节点设置了IORESOURCE_BUSY标志位，则宣告分配失败。于是调用kfree （）函数释放所分配的resource结构，并将res指针置为NULL，最后用break语句推出for循环。
　　　　④最后，返回所分配的resource结构的指针。

　　　　3．3．2 I/O Region的释放
　　
　　　　函数__release_region()实现在一个父资源节点parent中释放给定范围的I/O Region。实际上该函数的实现思想与__release_resource()相类似。其源代码如下：

 1  void  __release_region( struct  resource  * parent,
 2  　　　　　　unsigned  long  start, unsigned  long  n)
 3  　　{
 4  　　 struct  resource  ** p;
 5  　　unsigned  long  end;
 6  　　
 7  　　p  =   & parent -> child;
 8  　　end  =  start  +  n  -   1 ;
 9  　　
10  　　 for  (;;) {
11  　　 struct  resource  * res  =   * p;
12  　　
13  　　 if  ( ! res)
14  　　 break ;
15  　　 if  (res -> start  <=  start  &&  res -> end  >=  end) {
16  　　 if  ( ! (res -> flags  &  IORESOURCE_BUSY)) {
17  　　p  =   & res -> child;
18  　　 continue ;
19  　　}
20  　　 if  (res -> start  !=  start '   ' res -> end  !=  end)
21  　　 break ;
22  　　 * p  =  res -> sibling;
23  　　kfree(res);
24  　　 return ;
25  　　}
26  　　p  =   & res -> sibling;
27  　　}
28  　　printk(Trying to free nonexistent resource  <% 08lx -% 08lx >
29  　　, start, end);
30  　　}
31 

　　　　类似地，该函数也是通过一个for循环来遍历父资源parent的child链表。为此，它让指针res指向当前正被扫描的子资源节点，指针p指向前一个子资源节点的sibling成员变量，p的初始值为指向parent->child。For循环体的步骤如下：
　　
　　　　①让res指针指向当前被扫描的子资源节点（res＝*p）。
　　
　　　　②如果res指针为NULL，说明已经扫描完整个child链表，所以退出for循环。
　　
　　　　③如果res指针不为NULL，则继续看看所指定的I/O区域范围是否完全包含在当前资源节点中，也即看看[start,start+n-1]是否包含在res->[start,end]中。如果不属于，则让p指向当前资源节点的sibling成员，然后继续for循环。如果属于，则执行下列步骤：
　　
　　　　l 先看看当前资源节点是否设置了IORESOURCE_BUSY标志位。如果没有设置该标志位，则说明该资源节点下面可能还会有子节点，因此将扫描过程下降一个层次，于是修改p指针，使它指向res->child，然后执行continue语句继续for循环。
　　　　l 如果设置了IORESOURCE_BUSY标志位。则一定要确保当前资源节点就是所指定的I/O区域，然后将当前资源节点从其父资源的child链表中去除。这可以通过让前一个兄弟资源节点的sibling指针指向当前资源节点的下一个兄弟资源节点来实现（即让*p=res->sibling），最后调用kfree（）函数释放当前资源节点的resource结构。然后函数就可以成功返回了。
　　　　3．3．3 检查指定的I/O Region是否已被占用
　　
　　　　函数__check_region()检查指定的I/O Region是否已被占用。其源代码如下：

 1  int  __check_region( struct  resource  * parent, unsigned  long  start, unsigned  long  n)
 2  　　{
 3  　　 struct  resource  *  res;
 4  　　
 5  　　res  =  __request_region(parent, start, n, check - region);
 6  　　 if  ( ! res)
 7  　　 return   - EBUSY;
 8  　　
 9  　　release_resource(res);
10  　　kfree(res);
11  　　 return   0 ;
12  　　}
13 

　　　　该函数的实现与__check_resource()的实现思想类似。首先，它通过调用__request_region()函数试图在父资源 parent中分配指定的I/O Region。如果分配不成功，将返回NULL，因此此时函数返回错误值－EBUSY表示所指定的I/O Region已被占用。如果res指针不为空则说明所指定的I/O Region没有被占用。于是调用__release_resource()函数将刚刚分配的资源释放掉（实际上是将res结构从parent的 child链表去除），然后调用kfree（）函数释放res结构所占用的内存。最后，返回0值表示指定的I/O Region没有被占用。 中国网管论坛bbs.bitsCN.com 
　　
　　3．4 管理I/O端口资源
　　
　　　　我们都知道，采用I/O映射方式的X86处理器为外设实现了一个单独的地址空间，也即“I/O空间”（I/O Space）或称为“I/O端口空间”，其大小是64KB（0x0000－0xffff）。Linux在其所支持的所有平台上都实现了“I/O端口空间” 这一概念。
　　
　　　　由于I/O空间非常小，因此即使外设总线有一个单独的I/O端口空间，却也不是所有的外设都将其I/O端口（指寄存器）映射到“I/O端口空间”中。比如，大多数PCI卡都通过内存映射方式来将其I/O端口或外设内存映射到CPU的RAM物理地址空间中。而老式的 ISA卡通常将其I/O端口映射到I/O端口空间中。
　　
　　　　Linux是基于“I/O Region”这一概念来实现对I/O端口资源（I/O－mapped 或 Memory－mapped）的管理的。
　　
　　　　3．4．1 资源根节点的定义
　　
　　　　Linux在kernel/Resource.c文件中定义了全局变量ioport_resource和iomem_resource，来分别描述基于I/O映射方式的整个I/O端口空间和基于内存映射方式的I/O内存资源空间（包括I/O端口和外设内存）。其定义如下：

1  　　 struct  resource ioport_resource  =
2  　　　　　　{ PCI IO,  0x0000 , IO_SPACE_LIMIT, IORESOURCE_IO };
3  　　 struct  resource iomem_resource  =
4  　　　　　　{ PCI mem,  0x00000000 ,  0xffffffff , IORESOURCE_MEM };

　　　　其中，宏IO_SPACE_LIMIT表示整个I/O空间的大小，对于X86平台而言，它是0xffff（定义在include/asm-i386/io.h头文件中）。显然，I/O内存空间的大小是4GB。
　　
　　　　3．4．2 对I/O端口空间的操作
　　
　　　　基于I/O Region的操作函数__XXX_region()，Linux在头文件include/linux/ioport.h中定义了三个对I/O端口空间进行操作的宏：①request_region()宏，请求在I/O端口空间中分配指定范围的I/O端口资源。②check_region()宏，检查 I/O端口空间中的指定I/O端口资源是否已被占用。③release_region()宏，释放I/O端口空间中的指定I/O端口资源。这三个宏的定义如下：

1  　　 #define  request_region(start,n,name)
2  　　__request_region( & ioport_resource, (start), (n), (name))
3  　　 #define  check_region(start,n)
4  　　__check_region( & ioport_resource, (start), (n))
5  　　 #define  release_region(start,n)
6  　　__release_region( & ioport_resource, (start), (n))
7 

　　　　其中，宏参数start指定I/O端口资源的起始物理地址（是I/O端口空间中的物理地址），宏参数n指定I/O端口资源的大小。
　　
　　　　3．4．3 对I/O内存资源的操作
　　
　　　　基于I/O Region的操作函数__XXX_region()，Linux在头文件include/linux/ioport.h中定义了三个对I/O内存资源进行操作的宏：①request_mem_region()宏，请求分配指定的I/O内存资源。②check_ mem_region()宏，检查指定的I/O内存资源是否已被占用。③release_ mem_region()宏，释放指定的I/O内存资源。这三个宏的定义如下：

1  　　 #define  request_mem_region(start,n,name)
2  　　　　__request_region( & iomem_resource, (start), (n), (name))
3  　　 #define  check_mem_region(start,n)
4  　　__check_region( & iomem_resource, (start), (n))
5  　　 #define  release_mem_region(start,n)
6  　　__release_region( & iomem_resource, (start), (n))
7 

　　　　其中，参数start是I/O内存资源的起始物理地址（是CPU的RAM物理地址空间中的物理地址），参数n指定I/O内存资源的大小。
　　
　　　　3．4．4 对/proc/ioports和/proc/iomem的支持

网管网www_bitscn_com

　　
　　　　Linux在ioport.h头文件中定义了两个宏：
　　
　　　　get_ioport_list()和get_iomem_list()，分别用来实现/proc/ioports文件和/proc/iomem文件。其定义如下：

1  　　 #define  get_ioport_list(buf) get_resource_list(&ioport_resource, buf, PAGE_SIZE)
2  　　 #define  get_mem_list(buf) get_resource_list(&iomem_resource, buf, PAGE_SIZE)
3 

　　3．5 访问I/O端口空间
　　
　　　　在驱动程序请求了I/O端口空间中的端口资源后，它就可以通过CPU的IO指定来读写这些I/O端口了。在读写I/O端口时要注意的一点就是，大多数平台都区分8位、16位和32位的端口，也即要注意I/O端口的宽度。
　　
　　　　Linux在include/asm/io.h头文件（对于i386平台就是include/asm-i386/io.h）中定义了一系列读写不同宽度I/O端口的宏函数。如下所示：
　　
　　　　⑴读写8位宽的I/O端口

1  　　　　unsigned  char  inb（unsigned port）；
2  　　　　 void  outb（unsigned  char  value，unsigned port）；
3 

　　　　其中，port参数指定I/O端口空间中的端口地址。在大多数平台上（如x86）它都是unsigned short类型的，其它的一些平台上则是unsigned int类型的。显然，端口地址的类型是由I/O端口空间的大小来决定的。 网管朋友网www_bitscn_net 
　　　　⑵读写16位宽的I/O端口

1  　　　　unsigned  short  inw（unsigned port）；
2  　　　　 void  outw（unsigned  short  value，unsigned port）；
3 

　　　⑶读写32位宽的I/O端口

1  　　　　unsigned  int  inl（unsigned port）；
2  　　　　 void  outl（unsigned  int  value，unsigned port）；

　　　　3．5．1 对I/O端口的字符串操作
　　
　　　　除了上述这些“单发”（single－shot）的I/O操作外，某些CPU也支持对某个I/O端口进行连续的读写操作，也即对单个I/O端口读或写一系列字节、字或32位整数，这就是所谓的“字符串I/O指令”（String Instruction）。这种指令在速度上显然要比用循环来实现同样的功能要快得多。
　　
　　　　Linux同样在io.h文件中定义了字符串I/O读写函数：
　　
　　　　⑴8位宽的字符串I/O操作

1  　　　　 void  insb（unsigned port， void   *  addr，unsigned  long  count）；
2  　　　　 void  outsb（unsigned port ， void   *  addr，unsigned  long  count）；
3 

　　　　⑵16位宽的字符串I/O操作

1  　　　　 void  insw（unsigned port， void   *  addr，unsigned  long  count）；
2  　　　　 void  outsw（unsigned port ， void   *  addr，unsigned  long  count）；
3 

　　　　⑶32位宽的字符串I/O操作

1  　　　　 void  insl（unsigned port， void   *  addr，unsigned  long  count）；
2  　　　　 void  outsl（unsigned port ， void   *  addr，unsigned  long  count）；

　　　　3．5．2 Pausing I/O
　　
　　
　　　　在一些平台上（典型地如X86），对于老式总线（如ISA）上的慢速外设来说，如果CPU读写其I/O端口的速度太快，那就可能会发生丢失数据的现象。对于这个问题的解决方法就是在两次连续的I/O操作之间插入一段微小的时延，以便等待慢速外设。这就是所谓的“Pausing I/O”。
　　
　　　　对于Pausing I/O，Linux也在io.h头文件中定义了它的I/O读写函数，而且都以XXX_p命名，比如：inb_p()、outb_p()等等。下面我们就以out_p()为例进行分析。
　　
　　　　将io.h中的宏定义__OUT(b,”b”char)展开后可得如下定义：

 1  　　 extern  inline  void  outb(unsigned  char  value, unsigned  short  port) {
 2  　　__asm__ __volatile__ (outb  %  b  0 , %  w  1
 3  　　: : a (value), Nd (port));
 4  　　}
 5  　　
 6  　　 extern  inline  void  outb_p(unsigned  char  value, unsigned  short  port) {
 7  　　__asm__ __volatile__ (outb  %  b  0 , %  w  1
 8  　　__FULL_SLOW_DOWN_IO
 9  　　: : a (value), Nd (port));
10  　　}
11 

　　　　可以看出，outb_p()函数的实现中被插入了宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO，以实现微小的延时。宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO在头文件io.h中一开始就被定义：

 

 1  　　#ifdef SLOW_IO_BY_JUMPING
 2  　　 #define  __SLOW_DOWN_IO
 3  　　jmp 1f
 4  　　 1 : jmp 1f
 5  　　 1 :
 6  　　 #else
 7  　　 #define  __SLOW_DOWN_IO
 8  　　outb  %% al,$ 0x80
 9  　　 #endif
10  　　
11  　　#ifdef REALLY_SLOW_IO
12  　　 #define  __FULL_SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO
13  　　　　__SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO
14  　　 #else
15  　　 #define  __FULL_SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO
16  　　 #endif
17 

　　　　显然，__FULL_SLOW_DOWN_IO就是一个或四个__SLOW_DOWN_IO（根据是否定义了宏REALLY_SLOW_IO来决定），而宏__SLOW_DOWN_IO则被定义成毫无意义的跳转语句或写端口0x80的操作（根据是否定义了宏SLOW_IO_BY_JUMPING来决定）。 网管朋友网www_bitscn_net 
　　
　　3．6 访问I/O内存资源
　　
　　　　尽管I/O端口空间曾一度在x86平台上被广泛使用，但是由于它非常小，因此大多数现代总线的设备都以内存映射方式（Memory－mapped）来映射它的I/O端口（指I/O寄存器）和外设内存。基于内存映射方式的I/O端口（指I/O寄存器）和外设内存可以通称为“I/O内存”资源（I/O Memory）。因为这两者在硬件实现上的差异对于软件来说是完全透明的，所以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。
　　
　　　　从前几节的阐述我们知道，I/O内存资源是在CPU的单一内存物理地址空间内进行编址的，也即它和系统RAM同处在一个物理地址空间内。因此通过CPU的访内指令就可以访问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，这可以通过系统固件（如BIOS）在启动时分配得到，或者通过设备的硬连线（hardwired）得到。比如，PCI卡的I/O内存资源的物理地址就是在系统启动时由PCI BIOS分配并写到PCI卡的配置空间中的BAR中的。而ISA卡的I/O内存资源的物理地址则是通过设备硬连线映射到640KB－1MB范围之内的。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，因为它们是在系统启动后才已知的（某种意义上讲是动态的），所以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。

　　　　3．6．1 映射I/O内存资源
　　
　　　　Linux在io.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（3GB－4GB）中，如下：
　　
　　
　　void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);
　　void iounmap(void * addr);
　　
　　 函数用于取消ioremap（）所做的映射，参数addr是指向核心虚地址的指针。这两个函数都是实现在mm/ioremap.c文件中。具体实现可参考《情景分析》一书。
　　
　　　　3．6．2 读写I/O内存资源
　　
　　　　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。但是，由于在某些平台上，对 I/O内存和系统内存有不同的访问处理，因此为了确保跨平台的兼容性，Linux实现了一系列读写I/O内存资源的函数，这些函数在不同的平台上有不同的实现。但在x86平台上，读写I/O内存与读写RAM无任何差别。如下所示（include/asm-i386/io.h）：

 1  　　 #define  readb(addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr))
 2  　　 #define  readw(addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr)) 
 3 
 4 
 5  　　 #define  readl(addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr))
 6  　　
 7  　　 #define  writeb(b,addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr) = (b))
 8  　　 #define  writew(b,addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr) = (b))
 9  　　 #define  writel(b,addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr) = (b))
10  　　
11  　　 #define  memset_io(a,b,c) memset(__io_virt(a),(b),(c))
12  　　 #define  memcpy_fromio(a,b,c) memcpy((a),__io_virt(b),(c))
13  　　 #define  memcpy_toio(a,b,c) memcpy(__io_virt(a),(b),(c))
14 

　　 上述定义中的宏__io_virt()仅仅检查虚地址addr是否是核心空间中的虚地址。该宏在内核2.4.0中的实现是临时性的。具体的实现函数在arch/i386/lib/Iodebug.c文件。
　　
　　　　显然，在x86平台上访问I/O内存资源与访问系统主存RAM是无差别的。但是为了保证驱动程序的跨平台的可移植性，我们应该使用上面的函数来访问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。 

FROM: http://www.cnblogs.com/b2tang/archive/2009/07/07/1518175.html