Linux的IO端口和IO内存
Linux的IO端口和IO内存
CPU对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。
对IO内存资源的访问
注：其实对IO内存和IO端口的访问的不同函数，只是对同一函数的不同调用而已，定义在include/linux/ioport.h：
#define request_region(start,n,name) __request_region(&ioport_resource, (start), (n), (name))
#define request_mem_region(start,n,name) __request_region(&iomem_resource, (start), (n), (name))
#define rename_region(region, newname) do { (region)->name = (newname); } while (0)
extern struct resource * __request_region(struct resource *,
resource_size_t start,
resource_size_t n, const char *name);
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()。
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）。
1）关于IO与内存空间：
在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和outb：
在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()将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和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：
· 读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);
· 写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。
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Linux对I/O端口资源的管理
几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的。外设寄存器也称为“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，而且一个外设的寄存器通常被连续地编址。CPU对外设IO端口物理地址的编址方式有两种：一种是I/O映射方式(I/O-mapped)，另一种是内存映射方式(Memory-mapped)。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。
有些体系结构的CPU(如，PowerPC、m68k等)通常只实现一个物理地址空间(RAM)。在这种情况下，外设 I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中，而成为内存的一部分。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。这就是所谓的“内存映射方式”(Memory-mapped)。
而另外一些体系结构的CPU(典型地如X86)则为外设专门实现了一个单独地地址空间，称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间，所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令(如X86的IN和OUT指令)来访问这一空间中的地址单元(也即 I/O端口)。这就是所谓的“I/O映射方式”(I/O-mapped)。与RAM物理地址空间相比，I/O地址空间通常都比较小，如x86 CPU的I/O空间就只有64KB(0-0xffff)。这是“I/O映射方式”的一个主要缺点。
Linux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)。在讨论对I/O区域的管理之前，我们首先来分析一下Linux是如何实现“I/O资源”这一抽象概念的。
Linux对I/O资源的描述
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Linux设计了一个通用的数据结构resource来描述各种I/O资源(如：I/O端口、外设内存、DMA和IRQ等)。该结构定义在include/linux/ioport.h头文件中：
struct resource {
resource_size_t start;
resource_size_t end;
const char *name;
unsigned long flags;
struct resource *parent, *sibling, *child;
};
Linux对I/O资源的管理
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Linux是以一种倒置的树形结构来管理每一类I/O资源(如：I/O端口、外设内存、DMA和IRQ)的。每一类I/O资源都对应有一颗倒置的资源树，树中的每一个节点都是一个resource结构，而树的根结点root则描述了该类资源的整个资源空间。
基于上述这个思想，Linux在kernel/resource.c文件中实现了对资源的申请、释放及查找等操作。
资源的申请: request_resource()
资源的释放: release_resource()
寻找可用资源: --find_resource()
分配资源: allocate_resource()
管理I/O Region资源
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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。
I/O Region的分配: __request_region()
I/O Region的释放: __release_region()
检查指定的I/O Region是否已被占用: __check_region()
管理I/O端口资源
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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。
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：
struct resource ioport_resource = {
.name = "PCI IO",
.start -= 0,
.end = IO_SPACE_LIMIT,
.flags -= IORESOURCE_IO,
};
struct resource iomem_resource = {
.name = "PCI mem",
.start -= 0,
.end = -1,
.flags -= 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。
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接口：
request_region() 请求在I/O端口空间中分配指定范围的I/O端口资源。
check_region() 检查I/O端口空间中的指定I/O端口资源是否已被占用。
release_region() 释放I/O端口空间中的指定I/O端口资源。
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接口：
request_mem_region() 请求分配指定的I/O内存资源。
check_mem_region() 检查指定的I/O内存资源是否已被占用。
release_mem_region() 释放指定的I/O内存资源。
访问I/O端口空间(I/O-mapped)
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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指令来读写这些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。
inb() outb() inw() outw() inl() outl()
unsigned char inb(unsigned port);
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。
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。
insb() outsb() insw() outw() insl() outsl()
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。
访问I/O内存资源(I/O Memory)
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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端口称为"I/O内存"资源(I/O Memory)。因为基于内存映射方式的I/O和外设内存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。
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。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
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
对于X86体系结构ioremap()定义在/usr/src/linux-2.6.21.5/include/asm-i386/io.h中
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)：
readb() readw() readl()
writeb() writew() writel()
memset_io() memcpy_fromio() memcpytoio()
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。