【轉】Linux裝置驅動之I/O連接埠與I/O記憶體

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原文網址：http://www.cnblogs.com/geneil/archive/2011/12/08/2281367.html

一、統一編址與獨立編址

該部分來自於：http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=21347954&do=blog&id=443670，感謝mason_hu的分享。
　　從CPU連出來一把線：資料匯流排、地址匯流排、控制匯流排，這把線上掛著N個介面，有相同的，有不同的，名字叫做儲存空間介面、中斷控制介面、DMA介面、並行介面、串列介面、AD介面……一個裝置要想接入，就用自己的介面和匯流排上的某個匹配介面對接……於是匯流排上出現了各種裝置：記憶體、硬碟，滑鼠、鍵盤，顯示器……
對於CPU而言，如果它要發資料到某個裝置，其實是發到對應的介面，介面電路裡有多個寄存器（也稱為連接埠），訪問裝置實際上是訪問相關的連接埠，所有的資訊會由介面轉給它的裝置。那麼CPU會準備資料到資料匯流排，但是諸多介面，該發給誰呢？這時就須要為各介面分配一個地址，然後把地址放在地址匯流排上，需要的控制資訊放到控制匯流排上，就可以和裝置通訊了。
　　對一個系統而言，通常會有多個外設，每個外設的介面電路中，又會有多個連接埠，每個連接埠都需要一個地址，為他們標識一個具體的地址值，是系統必須解決的事，與此同時，你還有個記憶體條，可能是512M或1G或更大的金士頓、現代DDR2之類，他們的每一個地址也都需要分配一個標識值，另外，很多外設有自己的記憶體、緩衝區，就像你的記憶體條一樣，你同樣需要為它們分配記憶體……你的CPU可能需要和它們的每一個位元組都打交道，所以：別指望偷懶，它們的每一寸土地都要規劃好！這聽起來就很煩，做起來可能就直接導致腦細胞全部陣亡。但事情總是得有人去做，ARM可能會這樣做：他這次設計的CPU是32位的，最多也就能定址2^32=4G空間，於是把這4GB空間丟給記憶體和連接埠，讓他們瓜分。但英特爾或許有更好的分配方式……

1、地址的概念
1）物理地址：CPU地址匯流排傳來的地址，由硬體電路控制其具體含義。物理地址中很大一部分是留給記憶體條中的記憶體的，但也常被映射到其他儲存空間上（如顯存、BIOS等）。在程式指令中的虛擬位址經過段映射和頁面映射後，就產生了物理地址，這個物理地址被放到CPU的地址線上。
物理地址空間，一部分給物理RAM（記憶體）用，一部分給匯流排用，這是由硬體設計來決定的，因此在32 bits地址線的x86處理器中，物理地址空間是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因為還有一部分要給匯流排用（匯流排上還掛著別的許多裝置）。在PC機中，一般是把低端物理地址給RAM用，高端物理地址給匯流排用。 
2）匯流排地址：匯流排的地址線或在地址周期上產生的訊號。外設使用的是匯流排地址，CPU使用的是物理地址。
物理地址與匯流排地址之間的關係由系統的設計決定的。在x86平台上，物理地址就是匯流排地址，這是因為它們共用相同的地址空間——這句話有點難理解，詳見下面的“獨立編址”。在其他平台上，可能需要轉換/映射。比如：CPU需要訪問物理地址是0xfa000的單元，那麼在x86平台上，會產生一個PCI匯流排上對0xfa000地址的訪問。因為物理地址和匯流排地址相同，所以憑眼睛看是不能確定這個地址是用在哪兒的，它或者在記憶體中，或者是某個卡上的儲存單元，甚至可能這個地址上沒有對應的儲存空間。

3）虛擬位址：現代作業系統普遍採用虛擬記憶體管理（Virtual Memory Management）機制，這需要MMU（Memory Management Unit）的支援。MMU通常是CPU的一部分，如果處理器沒有MMU，或者有MMU但沒有啟用，CPU執行單元發出的記憶體位址將直接傳到晶片引腳上，被記憶體晶片（實體記憶體）接收，這稱為物理地址（Physical Address），如果處理器啟用了MMU，CPU執行單元發出的記憶體位址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱為虛擬位址（Virtual Address），而MMU將這個地址翻譯成另一個地址發到CPU晶片的外部地址引腳上，也就是將虛擬位址映射成物理地址。

　　Linux中，進程的4GB（虛擬）記憶體分為使用者空間、核心空間。使用者空間分布為0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等於0xC0000000），剩下的1G為核心空間。程式員只能使用虛擬位址。系統中每個進程有各自的私人使用者空間（0～3G），這個空間對系統中的其他進程是不可見的。
　　CPU發出取指令請求時的地址是當前內容相關的虛擬位址，MMU再從頁表中找到這個虛擬位址的物理地址，完成取指。同樣讀取資料的也是虛擬位址，比如mov ax, var. 編譯時間var就是一個虛擬位址，也是通過MMU從也表中來找到物理地址，再產生匯流排時序，完成取資料的。

2、編址方式
1）外設都是通過讀寫裝置上的寄存器來進行的，外設寄存器也稱為“I/O連接埠”，而IO連接埠有兩種編址方式：獨立編址和統一編製。
　　統一編址：外設介面中的IO寄存器（即IO連接埠）與主存單元一樣看待，每個連接埠佔用一個儲存單元的地址，將主存的一部分划出來用作IO地址空間，如，在PDP-11中，把最高的4K主存作為IO裝置寄存器地址。連接埠佔用了儲存空間的地址空間，使儲存量容量減小。
　　統一編址也稱為“I/O記憶體”方式，外設寄存器位於“記憶體空間”（很多外設有自己的記憶體、緩衝區，外設的寄存器和記憶體統稱“I/O空間”）。
　　如，Samsung的S3C2440，是32位ARM處理器，它的4GB地址空間被外設、RAM等瓜分：
　　　　0x8000 1000 LED 8*8點陣的地址
　　　　0x4800 0000 ~ 0x6000 0000 SFR（特殊暫存器）地址空間
　　　　0x3800 1002 鍵盤地址
　　　　0x3000 0000 ~ 0x3400 0000 SDRAM空間 
　　　　0x2000 0020 ~ 0x2000 002e IDE
　　　　0x1900 0300 CS8900

　　獨立編址（單獨編址）：IO地址與儲存地址分開獨立編址，I/O連接埠地址不佔用儲存空間的位址範圍，這樣，在系統中就存在了另一種與儲存地址無關的IO地址，CPU也必須具有專用與輸入輸出操作的IO指令（IN、OUT等）和控制邏輯。獨立編址下，地址匯流排上過來一個地址，裝置不知道是給IO連接埠的、還是給儲存空間的，於是處理器通過MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制訊號來實現對I/O連接埠和儲存空間的不同定址。如，intel 80x86就採用單獨編址，CPU記憶體和I/O是一起編址的，就是說記憶體一部分的地址和I/O地址是重疊的。
　　獨立編址也稱為“I/O連接埠”方式，外設寄存器位於“I/O（地址）空間”。
　　對於x86架構來說，通過IN/OUT指令訪問。PC架構一共有65536個8bit的I/O連接埠，組成64K個I/O地址空間，編號從0~0xFFFF，有16位，80x86用低16位地址線A0-A15來定址。連續兩個8bit的連接埠可以組成一個16bit的連接埠，連續4個組成一個32bit的連接埠。I/O地址空間和CPU的物理地址空間是兩個不同的概念，例如I/O地址空間為64K，一個32bit的CPU物理地址空間是4G。如，在Intel 8086+Redhat9.0 下用“more /proc/ioports”可看到：
　　　　0000-001f : dma1
　　　　0020-003f : pic1
　　　　0040-005f : timer
　　　　0060-006f : keyboard
　　　　0070-007f : rtc
　　　　0080-008f : dma page reg
　　　　00a0-00bf : pic2
　　　　00c0-00df : dma2
　　　　00f0-00ff : fpu
　　　　0170-0177 : ide1
　　　　……
　　不過Intel x86平台普通使用了名為記憶體映射（MMIO）的技術，該技術是PCI規範的一部分，IO裝置連接埠被映射到記憶體空間，映射後，CPU訪問IO連接埠就如同訪問記憶體一樣。看Intel TA 719文檔給出的x86/x64系統典型記憶體位址分配表：
　　　　系統資源 佔用
------------------------------------------------------------------------
　　　　BIOS 1M
　　　　本地APIC 4K
　　　　晶片集保留 2M
　　　　IO APIC 4K
　　　　PCI裝置 256M
　　　　PCI Express裝置 256M
　　　　PCI裝置（可選） 256M
　　　　顯示幀緩衝 16M
　　　　TSEG 1M

　　對於某一既定的系統，它要麼是獨立編址、要麼是統一編址，具體採用哪一種則取決於CPU的體繫結構。 如，PowerPC、m68k等採用統一編址，而X86等則採用獨立編址，存在IO空間的概念。目前，大多數嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等並不提供I/O空間，僅有記憶體空間，可直接用地址、指標訪問。但對於Linux核心而言，它可能用於不同的CPU，所以它必須都要考慮這兩種方式，於是它採用一種新的方法，將基於I/O映射方式的或記憶體映射方式的I/O連接埠通稱為“I/O地區”（I/O region），不論你採用哪種方式，都要先申請IO地區：request_resource()，結束時釋放它：release_resource()。

二、linux I/O連接埠與I/O記憶體

IO連接埠：當一個寄存器或者記憶體位於IO空間時；
IO記憶體：當一個記憶體或者寄存器位於記憶體空間時；

　　在一些CPU製造商在其晶片上實現了一個單地址空間（統一編址）的同時，其它的CPU製造商認為外設不同於記憶體，應該有一個獨立的地址空間給外設（單獨編址），其生產處理器(特別是x86家族)的I/O連接埠有自己的讀寫訊號線和特殊的CPU指令來存取連接埠。因為外設要與外設匯流排相匹配，並且大部分流行的I/O匯流排都是以個人電腦(主要是x86家族)作為模型，所以即便那些沒有單獨地址空間給I/O連接埠的處理器，也必須在訪問外設時類比成讀寫連接埠。這通常通過外部晶片集（PC中的南北橋）或者在CPU核中附加額外電路來實現（基於嵌入式應用的處理器）。
　　由於同樣的理由，Linux在所有電腦平台上都實現了I/O連接埠，甚至在那些單地址空間的CPU平台上（類比I/O連接埠）。但並不是所有的裝置都會將其寄存器映射到I/O連接埠。雖然ISA裝置普遍使用I/O連接埠，但大部分PCI裝置將寄存器映射到某個記憶體位址區。這種I/O記憶體方法通常是首選的，因為它無需使用特殊的處理器指令，CPU存取記憶體也更有效率，並且編譯器在存取記憶體時在寄存器分配和定址模式的選擇上有更多自由。

 

1.IO寄存器和常規記憶體
　　I/O寄存器和RAM的主要不同是I/O操作有邊際效應（side effect），而記憶體操作沒有:訪問記憶體只是在記憶體某一位置儲存數值。因為記憶體存取速度嚴重影響CPU的效能，編譯器可能會對源碼進行最佳化，主要是：使用快取和重排讀/寫指令的順序。對於傳統記憶體(至少在單一處理器系統)這些最佳化是透明有益的，但是對於I/O 寄存器，這可能是致命錯誤，因為它們幹擾了那些"邊際效應"（驅動程式存取I/O 寄存器就是為了擷取邊際效應）。因此，驅動程式必須確保在存取寄存器時，不能使用快取並且不能重新編排讀寫指令的順序。
　　side effect 是指：訪問I/O寄存器時，不僅僅會像訪問普通記憶體一樣影響儲存單元的值，更重要的是它可能改變CPU的I/O連接埠電平、輸出時序或CPU對I/O連接埠電平的反應等等，從而實現CPU的控制功能。CPU在電路中的意義就是實現其side effect 。舉個例子，有些裝置的中斷狀態寄存器只要一讀取，便自動清零。

　　硬體緩衝的問題是最易解決的：只要將底層硬體設定(或者自動地或者通過Linux 初始化代碼)為當存取I/O區時，禁止任何硬體緩衝(不管是I/O 記憶體還是I/O 連接埠)。

　　編譯器最佳化和硬體重編排讀寫指令順序的解決方案是：在硬體或處理器必須以一個特定順序執行的操作之間安放一個記憶體屏障（memory barrier）。

2.操作IO連接埠（申請，訪問，釋放）：
　　I/O 連接埠是驅動用來和很多裝置通訊的方法。
（1）申請I/O 連接埠：
　　在驅動還沒獨佔裝置之前，不應對連接埠進行操作。核心提供了一個註冊介面，以允許驅動聲明其需要的連接埠：

/* request_region告訴核心：要使用first開始的n個連接埠。參數name為裝置名稱。如果分配成功傳回值是非NULL；否則無法使用需要的連接埠(/proc/ioports包含了系統當前所有連接埠的分配資訊，若request_region分配失敗時，可以查看該檔案，看誰先用了你要的連接埠) */
struct resource *request_region(unsigned long first, unsigned long n, const char *name);

 

（2）訪問IO連接埠：

　　在驅動成功請求到I/O 連接埠後，就可以讀寫這些連接埠了。大部分硬體會將8位、16位和32位連接埠區分開，無法像訪問記憶體那樣混淆使用。驅動程式必須調用不同的函數來訪問不同大小的連接埠。
　　Linux 核心標頭檔(體系依賴的標頭檔<asm/io.h>) 定義了下列內嵌函式來存取I/O連接埠:

/* inb/outb:讀/寫位元組連接埠(8位寬)。有些體系將port參數定義為unsigned long；而有些平台則將它定義為unsigned short。inb的傳回型別也是依賴體系的 */
unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsigned char byte, unsigned port);

/* inw/outw:讀/寫字連接埠(16位寬） */
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsigned short word, unsigned port);

/* inl/outl:讀/寫32位連接埠。longword也是依賴體系的，有的體係為unsigned long；而有的為unsigned int */
unsigned inl(unsigned port);
void outl(unsigned longword, unsigned port);

 

（3）釋放IO連接埠：

/* 用完I/O連接埠後(可能在模組卸載時)，應當調用release_region將I/O連接埠返還給系統。參數start和n應與之前傳遞給request_region一致 */
void release_region(unsigned long start, unsigned long n);

 

3.操作IO記憶體（申請，映射，訪問，釋放）：
　　儘管 I/O 連接埠在x86世界中非常流行，但是用來和裝置通訊的主要機制是通過記憶體映射的寄存器和裝置記憶體，兩者都稱為I/O 記憶體，因為寄存器和記憶體之間的區別對軟體是透明的。
　　I/O 記憶體僅僅是一個類似於RAM 的地區，處理器通過匯流排訪問該地區，以實現對裝置的訪問。同樣，讀寫這個地區是有邊際效應。
　　根據電腦體系和匯流排不同，I/O 記憶體可分為可以或者不可以通過頁表來存取。若通過頁表存取，核心必須先重新編排物理地址，使其對驅動程式可見，這就意味著在進行任何I/O操作之前，你必須調用ioremap；如果不需要頁表，I/O記憶體地區就類似於I/O連接埠，你可以直接使用適當的I/O函數讀寫它們。
　　由於邊際效應的緣故，不管是否需要 ioremap，都不鼓勵直接使用I/O記憶體指標，而應使用專門的I/O記憶體操作函數。這些I/O記憶體操作函數不僅在所有平台上是安全，而且對直接使用指標操作 I/O 記憶體的情況進行了最佳化。

（1）申請I/O 記憶體： 
　　I/O 記憶體區在使用前必須先分配。分配記憶體區的函數介面在<linux/ioport.h>定義中：

/* request_mem_region分配一個開始於start,len位元組的I/O記憶體區。分配成功，返回一個非NULL指標；否則返回NULL。系統當前所有I/O記憶體配置資訊都在/proc/iomem檔案中列出，你分配失敗時，可以看看該檔案，看誰先佔用了該記憶體區 */
struct resource *request_mem_region(unsigned long start, unsigned long len, char *name);

 

（2）映射：
　　在訪問I/O記憶體之前，分配I/O記憶體並不是唯一要求的步驟，你還必須保證核心可存取該I/O記憶體。訪問I/O記憶體並不只是簡單解引用指標，在許多體系中，I/O 記憶體無法以這種方式直接存取。因此，還必須通過ioremap 函數設定一個映射。

/* ioremap用於將I/O記憶體區映射到虛擬位址。參數phys_addr為要映射的I/O記憶體起始地址，參數size為要映射的I/O記憶體的大小，傳回值為被映射到的虛擬位址 */
void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);

 

（3）訪問IO記憶體：
　　經過 ioremap之後，裝置驅動就可以存取任何I/O記憶體位址。注意，ioremap返回的地址不可以直接解引用；相反，應當使用核心提供的訪問函數。訪問I/O記憶體的正確方式是通過一系列專門用於實現此目的的函數：

#include <asm/io.h>
/* I/O記憶體讀函數。參數addr應當是從ioremap獲得的地址(可能包含一個整型位移); 傳回值是從給定I/O記憶體讀取到的值 */
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);

/* I/O記憶體寫函數。參數addr同I/O記憶體讀函數，參數value為要寫的值 */
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);

/* 以下這些函數讀和寫一系列值到一個給定的 I/O 記憶體位址,從給定的buf讀或寫count個值到給定的addr。參數count表示要讀寫的資料個數，而不是位元組大小 */
void ioread8_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
void ioread16_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
void ioread32_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
void iowrite8_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);
void iowrite16_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);
void iowrite32_rep(void *addr,，onst void *buf,，nsigned long count);

/* 需要操作一塊I/O 地址時，使用下列函數(這些函數的行為類似於它們的C庫類似函數): */
void memset_io(void *addr, u8 value, unsigned int count);
void memcpy_fromio(void *dest, void *source, unsigned int count);
void memcpy_toio(void *dest, void *source, unsigned int count);

/* 舊的I/O記憶體讀寫函數，不推薦使用 */
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address); 
void writeb(unsigned value, address);
void writew(unsigned value, address);
void writel(unsigned value, address);

 

（4）釋放IO記憶體步驟：

void iounmap(void * addr); /* iounmap用於釋放不再需要的映射 */
void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len); /* iounmap用於釋放不再需要的映射 */

 

4、像IO記憶體一樣使用連接埠

　　一些硬體有一個有趣的特性: 有些版本使用 I/O 連接埠；而有些版本則使用 I/O 記憶體。不管是I/O 連接埠還是I/O 記憶體，處理器見到的裝置寄存器都是相同的，只是存取方法不同。為了統一編程介面，使驅動程式易於編寫，2.6 核心提供了一個ioport_map函數:

/* ioport_map重新對應count個I/O連接埠，使它們看起來I/O記憶體。此後，驅動程式可以在ioport_map返回的地址上使用ioread8和同類函數。這樣，就可以在編程時，消除了I/O 連接埠和I/O 記憶體的區別 */
void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);

void ioport_unmap(void *addr);/* ioport_unmap用於釋放不再需要的映射 */

注意，I/O 連接埠在重新對應前必須使用request_region分配分配所需的I/O 連接埠。

 

5、ARM體系的IO操作介面
　　s3c24x0處理器使用的是I/O記憶體，也就是說：s3c24x0處理器使用統一編址方式，I/O寄存器和記憶體使用量的是單一地址空間，並且讀寫I/O寄存器和讀寫記憶體的指令是相同的。所以推薦使用I/O記憶體的相關指令和函數。但這並不表示I/O連接埠的指令在s3c24x0中不可用。如果你注意過s3c24x0關於I/O方面的核心源碼，你就會發現：其實I/O連接埠的指令只是一個外殼，內部還是使用和I/O記憶體一樣的代碼。注意以下幾點：
　　1）所有的讀寫指令（I/O操作函數）所賦的地址必須都是虛擬位址，你有兩種選擇：使用核心已經定義好的地址，如在include/asm-arm/arch-s3c2410/regs-xxx.h中定義了s3c2410處理器各外設寄存器地址（其他處理器晶片也可在類似路徑找到核心定義好的外設寄存器的虛擬位址；另一種方法就是使用自己用ioremap映射的虛擬位址。絕對不能使用實際的物理地址，否則會因為核心無法處理地址而出現oops。
　　2）在使用I/O指令時，可以不使用request_region和request_mem_region，而直接使用outb、ioread等指令。因為request的功能只是告訴核心連接埠被誰佔用了，如再次request，核心會制止（資源busy）。但是不推薦這麼做，這樣的代碼也不規範，可能會引起並發問題（很多時候我們都需要獨佔裝置）。
　　3）在使用I/O指令時，所賦的地址資料有時必須通過強制類型轉換為 unsigned long ，不然會有警告。
　　4）在include\asm-arm\arch-s3c2410\hardware.h中定義了很多io口的操作函數，有需要可以在驅動中直接使用，很方便。

【轉】Linux裝置驅動之I/O連接埠與I/O記憶體