Linux下的IO端口和IO内存

说明：本文系通过阅读网络上诸多相关文章，整理而成。
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。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。这就是所谓的“I/O内存”方式。

另一类CPU（典型地如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上可以插上一块图形卡，有2MB的存储空间，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，不管是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。

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。

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。
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。

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。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，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

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

　　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）。

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：

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。

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的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到0xfffff的物理地址范围，这就在640K和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到0xffffff的地址范围中，也就是14MB到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。

不要忘了内核程序作用于虚拟地址，因此I/O空间单元必须表示成大于PAGE_OFFSET的地址。在后面的讨论中，我们假设PAGE_OFFSET等于0xc0000000，也就是说，内核虚拟地址是在第4G。

内核驱动程序必须把I/O空间单元的物理地址转换成内核空间的虚拟地址。在PC体系结构中，这可以简单地把32位的物理地址和0xc0000000常量进行或运算得到。例如，假设内核需要把物理地址为0x000b0fe4的I/O单元的值存放在t1中，把物理地址为0xfc000000的I/O单元的值存放在t2中，就可以使用下面的表达式来完成这项功能：

t1 = *((unsigned char *)(0xc00b0fe4));

t2 = *((unsigned char *)(0xfc000000));

在第六章我们已经介绍过,在初始化阶段,内核已经把可用的RAM物理地址映射到虚拟地址空间第4G的最初部分。因此，分页机制把出现在第一个语句中的虚拟地址0xc00b0fe4映射回到原来的I/O物理地址0x000b0fe4，这正好落在从640K到1MB的这段“ISA洞”中。这正是我们所期望的。

但是，对于第二个语句来说，这里有一个问题，因为其I/O物理地址超过了系统RAM的最大物理地址。因此，虚拟地址0xfc000000就不需要与物理地址0xfc000000相对应。在这种情况下，为了在内核页表中包括对这个I/O物理地址进行映射的虚拟地址，必须对页表进行修改：这可以通过调用ioremap(
)函数来实现。ioremap( )和vmalloc(
)函数类似，都调用get_vm_area( )建立一个新的vm_struct描述符，其描述的虚拟地址区间为所请求I/O空间区的大小。然后，ioremap(
)函数适当地更新所有进程的对应页表项。

因此，第二个语句的正确形式应该为：

io_mem = ioremap(0xfb000000, 0x200000);

t2 = *((unsigned char *)(io_mem + 0x100000));

第一条语句建立一个2MB的虚拟地址区间，从0xfb000000开始；第二条语句读取地址0xfc000000的内存单元。驱动程序以后要取消这种映射，就必须使用iounmap(
)函数。

现在让我们考虑一下除PC之外的体系结构。在这种情况下，把I/O物理地址加上0xc0000000常量所得到的相应虚拟地址并不总是正确的。为了提高内核的可移植性，Linux特意包含了下面这些宏来访问I/O空间：

readb, readw, readl

分别从一个I/O空间单元读取1、2或者4个字节

writeb,
writew, writel

分别向一个I/O空间单元写入1、2或者4个字节

memcpy_fromio,
memcpy_toio

把一个数据块从一个I/O空间单元拷贝到动态内存中，另一个函数正好相反，把一个数据块从动态内存中拷贝到一个I/O空间单元

memset_io

用一个固定的值填充一个I/O空间区域

对于0xfc000000 I/O单元的访问推荐使用这样的方法：

io_mem = ioremap(0xfb000000, 0x200000);

t2 = readb(io_mem + 0x100000);

使用这些宏，就可以隐藏不同平台访问I/O空间所用方法的差异。

从本质上来说是一样的，IO端口在Linux驱动中是指IO端口的寄存器，通过操作寄存器来控制IO端口。而IO内存是指一些设备把IO寄存器映射到某个内存区域，因为访问内存就不要特殊的指令。
转自/article/2149477.html