Linux對I/O連接埠資源的管理（4）

3．4 管理I/O連接埠資源

　　我們都知道，採用I/O映射方式的X86處理器為外設實現了一個單獨的地址空間，也即“I/O空間”（I/O
Space）或稱為“I/O連接埠空間”，其大小是64KB（0x0000－0xffff）。linux在其所支援的所有平台上都實現了“I/O連接埠空間”這一概念。

　　由於I/O空間非常小，因此即使外設匯流排有一個單獨的I/O連接埠空間，卻也不是所有的外設都將其I/O連接埠（指寄存器）映射到“I/O連接埠空間”中。
比如，大多數PCI卡都通過記憶體映射方式來將其I/O連接埠或外設記憶體映射到CPU的RAM物理地址空間中。而老式的ISA卡通常將其I/O連接埠映射到I
/O連接埠空間中。

　　linux是基於“I/O
Region”這一概念來實現對I/O連接埠資源（I/O－mapped 或
Memory－mapped）的管理的。

　　3．4．1 資源根節點的定義

　　linux在kernel/Resource.c檔案中定義了全域變數ioport_resource和iomem_resource，來分別描述基
於I/O映射方式的整個I/O連接埠空間和基於記憶體映射方式的I/O記憶體資源空間（包括I/O連接埠和外設記憶體）。其定義如下：

struct resource ioport_resource =
　　　　{ "PCI IO", 0x0000, IO_SPACE_LIMIT, IORESOURCE_IO };
struct resource iomem_resource =
　　　　{ "PCI mem", 0x00000000, 0xffffffff, IORESOURCE_MEM
};

這裡在2.6.32核心中有變化， iomem_resource的end由0xffffffff改為了-1；更加合理了。可以參照這個網址http://www.spinics.net/lists/linux-pci/msg09857.html （The iomem_resource map reflects the available physical address space.We statically initialize the end to -1, i.e., 0xffffffff_ffffffff, but of course we can only use as much as the CPU can address.）

 

　　其中，宏IO_SPACE_LIMIT表示整個I/O空間的大小，對於X86平台而言，它是0xffff（定義在include/asm-i386/io.h標頭檔中）。這裡我多寫一句，對於arm平台而言，以s3c2410為例，IO_SPACE_LIMIT是0xffffffff， 因為對於arm平台來說，它採用的是記憶體映射方式。
顯然，I/O記憶體空間的大小是4GB。

　　3．4．2 對I/O連接埠空間的操作

　　基於I/O
Region的操作函數__XXX_region()，linux在標頭檔include/linux/ioport.h中定義了三個對I/O連接埠空間進
行操作的宏：①request_region()宏，請求在I/O連接埠空間中分配指定範圍的I/O連接埠資源。②check_region()宏，檢查I
/O連接埠空間中的指定I/O連接埠資源是否已被佔用。③release_region()宏，釋放I/O連接埠空間中的指定I/O連接埠資源。這三個宏的定義如
下：

#define request_region(start,n,name)
__request_region(&ioport_resource, (start), (n), (name))
#define check_region(start,n)
__check_region(&ioport_resource, (start), (n))
#define release_region(start,n)
__release_region(&ioport_resource, (start), (n))

　　其中，宏參數start指定I/O連接埠資源的起始物理地址（是I/O連接埠空間中的物理地址），宏參數n指定I/O連接埠資源的大小。

　　3．4．3 對I/O記憶體資源的操作

　　基於I/O
Region的操作函數__XXX_region()，linux在標頭檔include/linux/ioport.h中定義了三個對I/O記憶體資源進行操作的宏：①request_mem_region()宏，請求分配指定的I/O記憶體資源。②check_
mem_region()宏，檢查指定的I/O記憶體資源是否已被佔用。③release_
mem_region()宏，釋放指定的I/O記憶體資源。這三個宏的定義如下：

#define request_mem_region(start,n,name)
　　__request_region(&iomem_resource, (start), (n),
(name))
#define check_mem_region(start,n)
__check_region(&iomem_resource, (start), (n))
#define release_mem_region(start,n)
__release_region(&iomem_resource, (start), (n))

　　其中，參數start是I/O記憶體資源的起始物理地址（是CPU的RAM物理地址空間中的物理地址），參數n指定I/O記憶體資源的大小。

　　3．4．4 對/proc/ioports和/proc/iomem的支援
       

　　linux在ioport.h標頭檔中定義了兩個宏：

　　get_ioport_list()和get_iomem_list()，分別用來實現/proc/ioports檔案和/proc/iomem檔案。其定義如下：

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

2.6.32移除了這兩個函數，具體怎麼實現對/proc/ioports和/proc/iomem的支援我還不知道，請高手指教阿

3．5 訪問I/O連接埠空間

　　在驅動程式請求了I/O連接埠空間中的連接埠資源後，它就可以通過CPU的IO指定來讀寫這些I/O連接埠了。在讀寫I/O連接埠時要注意的一點就是，大多數平台都區分8位、16位和32位的連接埠，也即要注意I/O連接埠的寬度。

　　linux在include/asm/io.h標頭檔（對於i386平台就是include/asm-i386/io.h）中定義了一系列讀寫不同寬度I/O連接埠的宏函數。如下所示：

　　⑴讀寫8位寬的I/O連接埠

　　unsigned char inb（unsigned port）；
　　void outb（unsigned char value，unsigned port）；

　　其中，port參數指定I/O連接埠空間中的連接埠地址。在大多數平台上（如x86）它都是unsigned
short類型的，其它的一些平台上則是unsigned
int類型的。顯然，連接埠地址的類型是由I/O連接埠空間的大小來決定的。

　　⑵讀寫16位寬的I/O連接埠

　　unsigned short inw（unsigned port）；
　　void outw（unsigned short value，unsigned port）；

　　⑶讀寫32位寬的I/O連接埠

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

　　3．5．1 對I/O連接埠的字串操作

　　除了上述這些“單發”（single－shot）的I/O操作外，某些CPU也支援對某個I/O連接埠進行連續的讀寫操作，也即對單個I/O連接埠讀或寫一系列位元組、字或32位整數，這就是所謂的“字串I/O指令”（String
Instruction）。這種指令在速度上顯然要比用迴圈來實現同樣的功能要快得多。

　　linux同樣在io.h檔案中定義了字串I/O讀寫函數：

　　⑴8位寬的字串I/O操作

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

　　⑵16位寬的字串I/O操作

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

　　⑶32位寬的字串I/O操作

　　void insl（unsigned port，void * addr，unsigned long
count）；
　　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），對於老式匯流排（如ISA）上的慢速外設來說，如果CPU讀寫其I/O連接埠的速度太快，那就可能會發生遺失資料的現
象。對於這個問題的解決方案就是在兩次連續的I/O操作之間插入一段微小的時延，以便等待慢速外設。這就是所謂的“Pausing
I/O”。

　　對於Pausing
I/O，linux也在io.h標頭檔中定義了它的I/O讀寫函數，而且都以XXX_p命名，比如：inb_p()、outb_p()等等。下面我們就以out_p()為例進行分析。

　　將io.h中的宏定義__OUT(b,”b”char)展開後可得如下定義：

extern inline void outb(unsigned char value, unsigned short port)
{
__asm__ __volatile__ ("outb %" "b " "0,%" "w" "1"
: : "a" (value), "Nd" (port));
}

extern inline void outb_p(unsigned char value, unsigned short port)
{
__asm__ __volatile__ ("outb %" "b " "0,%" "w" "1"
__FULL_SLOW_DOWN_IO
: : "a" (value), "Nd" (port));
}

　　可以看出，outb_p()函數的實現中被插入了宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO，以實現微小的延時。宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO在標頭檔io.h中一開始就被定義：

#ifdef SLOW_IO_BY_JUMPING
#define __SLOW_DOWN_IO "
jmp 1f
1: jmp 1f
1:"
#else
#define __SLOW_DOWN_IO "
outb %%al,$0x80"
#endif

#ifdef REALLY_SLOW_IO
#define __FULL_SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO
　　__SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO
#else
#define __FULL_SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO
#endif

　　顯然，__FULL_SLOW_DOWN_IO就是一個或四個__SLOW_DOWN_IO（根據是否定義了宏REALLY_SLOW_IO來決
定），而宏__SLOW_DOWN_IO則被定義成毫無意義的跳躍陳述式或寫連接埠0x80的操作（根據是否定義了宏SLOW_IO_BY_JUMPING來
決定）。