深度剖析io端口与io内存区别和联系

m3eY_edn_china 2017-12-22 4526

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描述

（一）地址的概念

1）物理地址：CPU地址总线传来的地址，由硬件电路控制其具体含义。物理地址中很大一部分是留给内存条中的内存的，但也常被映射到其他存储器上（如显存、BIOS等）。在程序指令中的虚拟地址经过段映射和页面映射后，就生成了物理地址，这个物理地址被放到CPU的地址线上。

物理地址空间，一部分给物理RAM（内存）用，一部分给总线用，这是由硬件设计来决定的，因此在32bits地址线的x86处理器中，物理地址空间是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因为还有一部分要给总线用（总线上还挂着别的许多设备）。在PC机中，一般是把低端物理地址给RAM用，高端物理地址给总线用。

2）总线地址：总线的地址线或在地址周期上产生的信号。外设使用的是总线地址，CPU使用的是物理地址。

物理地址与总线地址之间的关系由系统的设计决定的。在x86平台上，物理地址就是总线地址，这是因为它们共享相同的地址空间——这句话有点难理解，详见下面的“独立编址”。在其他平台上，可能需要转换/映射。比如：CPU需要访问物理地址是0xfa000的单元，那么在x86平台上，会产生一个PCI总线上对0xfa000地址的访问。因为物理地址和总线地址相同。

3）虚拟地址：现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（VirtualMemory Management）机制，这需要MMU（MemoryManagement Unit）的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片（物理内存）接收，这称为物理地址（Physical Address），如果处理器启用了MMU，CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address），而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将虚拟地址映射成物理地址。

Linux中，进程的4GB（虚拟）内存分为用户空间、内核空间。用户空间分布为0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于0xC0000000），剩下的1G为内核空间。程序员只能使用虚拟地址。系统中每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。

CPU发出取指令请求时的地址是当前上下文的虚拟地址，MMU再从页表中找到这个虚拟地址的物理地址，完成取指。同样读取数据的也是虚拟地址，比如mov ax, var. 编译时var就是一个虚拟地址，也是通过MMU从也表中来找到物理地址，再产生总线时序，完成取数据的。

（二）编址方式

1）对外设的编址

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”，而IO端口有两种编址方式：独立编址和统一编制。

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”）。

如，Samsung的S3C2440，是32位ARM处理器，它的4GB地址空间被外设、RAM等瓜分：0x8000 1000 LED 8*8点阵的地址0x4800 0000 ~ 0x6000 0000 SFR（特殊暂存器）地址空间0x3800 1002 键盘地址0x3000 0000 ~ 0x3400 0000 SDRAM空间 0x2000 0020 ~ 0x2000 002e IDE0x1900 0300 CS8900

独立编址（单独编址）：IO地址与存储地址分开独立编址，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，intel80x86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 : dma10020-003f : pic10040-005f : timer0060-006f : keyboard0070-007f : rtc0080-008f : dma page reg00a0-00bf : pic200c0-00df : dma200f0-00ff : fpu0170-0177 : ide1……

不过Intelx86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IntelTA 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()。

（三）不同体系结构编址方式总结

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/Oregion）。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.

（四）IO端口与IO内存区别

在驱动程序编写过程中，很少会注意到IO Port和IO 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. 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。

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。

2. CPU是ARM 或PPC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。

3、IO端口和IO内存的区分及联系

这两者如何区分就涉及到硬件知识，X86体系中，具有两个地址空间：IO空间和内存空间，而RISC指令系统的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间，即内存空间。内存空间：内存地址寻址范围，32位操作系统内存空间为2的32次幂，即4G。IO空间：X86特有的一个空间，与内存空间彼此独立的地址空间，32位X86有64K的IO空间。

IO端口：当寄存器或内存位于IO空间时，称为IO端口。一般寄存器也俗称I/O端口,或者说I/Oports,这个I/O端口可以被映射在MemorySpace,也可以被映射在I/OSpace。

IO内存：当寄存器或内存位于内存空间时，称为IO内存。

（五）在Linux下对IO端口与IO内存访问方式总结

1）在Linux下访问IO端口

IO region是一种IO资源，因此它可以用resource结构类型来描述。

访问IO端口有2种途径：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。

1、I/O映射方式

直接使用IO端口操作函数：在设备打开或驱动模块被加载时申请IO端口区域，之后使用inb(),outb()等进行端口访问，最后在设备关闭或驱动被卸载时释放IO端口范围。

in、out、ins和outs汇编语言指令都可以访问I/O端口。内核中包含了以下辅助函数来简化这种访问：

inb( )、inw( )、inl( )分别从I/O端口读取1、2或4个连续字节。后缀“b”、“w”、“l”分别代表一个字节（8位）、一个字（16位）以及一个长整型（32位）。

inb_p( )、inw_p( )、inl_p( )分别从I/O端口读取1、2或4个连续字节，然后执行一条“哑元（dummy，即空指令）”指令使CPU暂停。

outb( )、outw( )、outl( )分别向一个I/O端口写入1、2或4个连续字节。

outb_p( )、outw_p( )、outl_p( )分别向一个I/O端口写入1、2或4个连续字节，然后执行一条“哑元”指令使CPU暂停。

insb( )、insw( )、insl( )分别从I/O端口读入以1、2或4个字节为一组的连续字节序列。字节序列的长度由该函数的参数给出。

outsb( )、outsw( )、outsl( )分别向I/O端口写入以1、2或4个字节为一组的连续字节序列。

流程如下：

虽然访问I/O端口非常简单，但是检测哪些I/O端口已经分配给I/O设备可能就不这么简单了，对基于ISA总线的系统来说更是如此。通常，I/O设备驱动程序为了探测硬件设备，需要盲目地向某一I/O端口写入数据；但是，如果其他硬件设备已经使用这个端口，那么系统就会崩溃。为了防止这种情况的发生，内核必须使用“资源”来记录分配给每个硬件设备的I/O端口。资源表示某个实体的一部分，这部分被互斥地分配给设备驱动程序。在这里，资源表示I/O端口地址的一个范围。每个资源对应的信息存放在resource数据结构中:

struct resource {
resource_size_t start;// 资源范围的开始
resource_size_t end;// 资源范围的结束
const char *name; //资源拥有者的名字
unsigned long flags;// 各种标志
struct resource *parent, *sibling, *child;// 指向资源树中父亲，兄弟和孩子的指针
};

所有的同种资源都插入到一个树型数据结构（父亲、兄弟和孩子）中；例如，表示I/O端口地址范围的所有资源都包括在一个根节点为ioport_resource的树中。节点的孩子被收集在一个链表中，其第一个元素由child指向。sibling字段指向链表中的下一个节点。

为什么使用树？例如，考虑一下IDE硬盘接口所使用的I/O端口地址－比如说从0xf000到 0xf00f。那么，start字段为0xf000且end 字段为0xf00f的这样一个资源包含在树中，控制器的常规名字存放在name字段中。但是，IDE设备驱动程序需要记住另外的信息，也就是IDE链主盘使用0xf000到0xf007的子范围，从盘使用0xf008到0xf00f的子范围。为了做到这点，设备驱动程序把两个子范围对应的孩子插入到从0xf000到0xf00f的整个范围对应的资源下。一般来说，树中的每个节点肯定相当于父节点对应范围的一个子范围。I/O端口资源树(ioport_resource)的根节点跨越了整个I/O地址空间（从端口0到65535）。

任何设备驱动程序都可以使用下面三个函数，传递给它们的参数为资源树的根节点和要插入的新资源数据结构的地址：

request_resource() //把一个给定范围分配给一个I/O设备。

allocate_resource() //在资源树中寻找一个给定大小和排列方式的可用范围；若存在，将这个范围分配给一个I/O设备（主要由PCI设备驱动程序使用，可以使用任意的端口号和主板上的内存地址对其进行配置）。

release_resource() //释放以前分配给I/O设备的给定范围。

内核也为以上函数定义了一些应用于I/O端口的快捷函数：request_region( )分配I/O端口的给定范围，release_region( )释放以前分配给I/O端口的范围。当前分配给I/O设备的所有I/O地址的树都可以从/proc/ioports文件中获得。

2、内存映射方式

将IO端口映射为内存进行访问，在设备打开或驱动模块被加载时，申请IO端口区域并使用ioport_map()映射到内存，之后使用IO内存的函数进行端口访问，最后，在设备关闭或驱动模块被卸载时释放IO端口并释放映射。

映射函数的原型为：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。但请注意，在进行映射前，还必须通过request_region()分配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);

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，但是宜使用Linux内核的如下一组函数来完成访问I/O内存：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);

流程如下：

2）Linux下访问IO内存

IO内存的访问方法是：首先调用request_mem_region()申请资源，接着将寄存器地址通过ioremap()映射到内核空间的虚拟地址，之后就可以Linux设备访问编程接口访问这些寄存器了，访问完成后，使用ioremap()对申请的虚拟地址进行释放，并释放release_mem_region()申请的IO内存资源。

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

这个函数从内核申请len个内存地址（在3G~4G之间的虚地址），而这里的start为I/O物理地址，name为设备的名称。注意，如果分配成功，则返回非NULL，否则，返回NULL。另外，可以通过/proc/iomem查看系统给各种设备的内存范围。

要释放所申请的I/O内存，应当使用release_mem_region（）函数：

void release_mem_region(unsigned longstart, unsigned long len)

申请一组I/O内存后，调用ioremap()函数：

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

其中三个参数的含义为：phys_addr：与requset_mem_region函数中参数start相同的I/O物理地址；size：要映射的空间的大小；flags：要映射的IO空间的和权限有关的标志；

功能：将一个I/O地址空间映射到内核的虚拟地址空间上(通过requset _mem_region（）申请到的)

流程如下：

3）ioremap和ioport_map

下面具体看一下ioport_map和ioport_umap的源码：

void __iomem *ioport_map(unsigned long port, unsigned int nr)
{
if (port > PIO_MASK)
return NULL;
return (void __iomem *) (unsigned long) (port + PIO_OFFSET);
}
void ioport_unmap(void __iomem *addr)
{
/* Nothing to do */
}

ioport_map仅仅是将port加上PIO_OFFSET(64k)，而ioport_unmap则什么都不做。这样portio的64k空间就被映射到虚拟地址的64k~128k之间，而ioremap返回的虚拟地址则肯定在3G之上。ioport_map函数的目的是试图提供与ioremap一致的虚拟地址空间。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ioread8/iowrite8(......)访问I/O端口。

最后来看一下ioread8的源码，其实现也就是对虚拟地址进行了判断，以区分IO端口和IO内存，然后分别使用inb/outb和readb/writeb来读写。

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)
展开：
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);
}
}

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