（轉）linux中的IO端口映射和IO記憶體映射（統一編址和獨立編址）

linux中的IO端口映射和IO記憶體映射

（一）位址的概念

1）實體位址：CPU位址總線傳來的位址，由硬體電路控制其具體含義。實體位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存儲器上 （如顯存、BIOS等）。在程式指令中的虛拟位址經過段映射和頁面映射後，就生成了實體位址，這個實體位址被放到CPU的位址線上。

        實體位址空間，一部分給實體RAM（記憶體）用，一部分給總線用，這是由硬體設計來決定的，是以在32 bits位址線的x86處理器中，實體位址空間是2的32次方，即4GB，但實體RAM一般不能上到4GB，因為還有一部分要給總線用（總線上還挂着别的 許多裝置）。在PC機中，一般是把低端實體位址給RAM用，高端實體位址給總線用。

2）總線位址：總線的位址線或在位址周期上産生的信号。外設使用的是總線位址，CPU使用的是實體位址。

        實體位址與總線位址之間的關系由系統的設計決定的。在x86平台上，實體位址就是總線位址，這是因為它們共享相同的位址空間——這句話有點難了解，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需要通路實體位址是0xfa000的單元，那麼在x86平台上，會産生一個PCI總線 上對0xfa000位址的通路。因為實體位址和總線位址相同，是以憑眼睛看是不能确定這個位址是用在哪兒的，它或者在記憶體中，或者是某個卡上的存儲單元， 甚至可能這個位址上沒有對應的存儲器。

3）虛拟位址：現代作業系統普遍采用虛拟記憶體管理（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将直接傳到晶片引腳上，被 記憶體晶片（實體記憶體）接收，這稱為實體位址（Physical Address），如果處理器啟用了MMU，CPU執行單元發出的記憶體位址将被MMU截獲，從CPU到MMU的位址稱為虛拟位址（Virtual Address），而MMU将這個位址翻譯成另一個位址發到CPU晶片的外部位址引腳上，也就是将虛拟位址映射成實體位址。

        Linux中，程序的4GB（虛拟）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中它等于0xC0000000），剩下的1G為核心空間。程式員隻能使用虛拟位址。系統中每個程序有各自的私有使用者空間（0～3G），這個空間對系統中的其他程序是不可見的。

        CPU發出取指令請求時的位址是目前上下文的虛拟位址，MMU再從頁表中找到這個虛拟位址的實體位址，完成取指。同樣讀取資料的也是虛拟位址，比如mov ax, var. 編譯時var就是一個虛拟位址，也是通過MMU從也表中來找到實體位址，再産生總線時序，完成取資料的。

（二）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端口”，而IO端口有兩種編址方式：獨立編址和統一編制。

        統一編址：外設接口中的IO寄存器（即IO端口）與主存單元一樣看待，每個端口占用一個存儲單元的位址，将主存的一部分劃出來用作IO位址空間，如，在 PDP-11中，把最高的4K主存作為IO裝置寄存器位址。端口占用了存儲器的位址空間，使存儲量容量減小。

        統一編址也稱為“I/O記憶體”方式，外設寄存器位于“記憶體空間”（很多外設有自己的記憶體、緩沖區，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位址空間被外設、RAM等瓜分：

0x8000 1000    LED 8*8點陣的位址

0x4800 0000 ~ 0x6000 0000  SFR（特殊暫存器）位址空間

0x3800 1002   鍵盤位址

0x3000 0000 ~ 0x3400 0000  SDRAM空間 

0x2000 0020 ~ 0x2000 002e  IDE

0x1900 0300   CS8900

        獨立編址（單獨編址）：IO位址與存儲位址分開獨立編址，I/0端口位址不占用存儲空間的位址範圍，這樣，在系統中就存在了另一種與存儲位址無關的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，位址總線上過來一個位址，裝置不知道是給IO端口的、還是 給存儲器的，于是處理器通過MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信号來實作對I/O端口和存儲器的不同尋址。如，intel 80x86就采用單獨編址，CPU記憶體和I/O是一起編址的，就是說記憶體一部分的位址和I/O位址是重疊的。

        獨立編址也稱為“I/O端口”方式，外設寄存器位于“I/O（位址）空間”。

        對于x86架構來說，通過IN/OUT指令通路。PC架構一共有65536個8bit的I/O端口，組成64K個I/O位址空間，編号從 0~0xFFFF，有16位，80x86用低16位位址線A0-A15來尋址。連續兩個8bit的端口可以組成一個16bit的端口，連續4個組成一個 32bit的端口。I/O位址空間和CPU的實體位址空間是兩個不同的概念，例如I/O位址空間為64K，一個32bit的CPU實體位址空間是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裝置端口被映射到記憶體空間，映射後，CPU通路IO端口就如同訪 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配置設定表：

系統資源  占用

------------------------------------------------------------------------

BIOS  1M

本地APIC  4K

晶片組保留 2M

IO APIC  4K

PCI裝置  256M

PCI Express裝置 256M

PCI裝置（可選） 256M

顯示幀緩存 16M

TSEG  1M

        對于某一既定的系統，它要麼是獨立編址、要麼是統一編址，具體采用哪一種則取決于CPU的體系結構。 如，PowerPC、m68k等采用統一編址，而X86等則采用獨立編址，存在IO空間的概念。目前，大多數嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并 不提供I/O空間，僅有記憶體空間，可直接用位址、指針通路。但對于Linux核心而言，它可能用于不同的CPU，是以它必須都要考慮這兩種方式，于是它采 用一種新的方法，将基于I/O映射方式的或記憶體映射方式的I/O端口通稱為“I/O區域”（I/O region），不論你采用哪種方式，都要先申請IO區域：request_resource()，結束時釋放 它：release_resource()。

2）對外設的通路

1、通路I/O記憶體的流程是：request_mem_region() -> ioremap() -> ioread8()/iowrite8() -> iounmap() ->release_mem_region() 。

        前面說過，IO記憶體是統一編址下的概念，對于統一編址，IO位址空間是實體主存的一部分，對于程式設計而言，我們隻能操作虛拟記憶體，是以，通路的第一步就是要把裝置所處的實體位址映射到虛拟位址，Linux2.6下用ioremap():

        void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);

然後，我們可以直接通過指針來通路這些位址，但是也可以用Linux核心的一組函數來讀寫：

ioread8(), iowrite16(), ioread8_rep(), iowrite8_rep()......

2、通路I/O端口

        通路IO端口有2種途徑：I/O映射方式（I/O－mapped）、記憶體映射方式（Memory－mapped）。前一種途徑不映射到記憶體空間，直接使用 intb()/outb()之類的函數來讀寫IO端口；後一種MMIO是先把IO端口映射到IO記憶體（“記憶體空間”），再使用通路IO記憶體的函數來通路 IO端口。

        void ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);

通過這個函數，可以把port開始的count個連續的IO端口映射為一段“記憶體空間”，然後就可以在其傳回的位址是像通路IO記憶體一樣通路這些IO端口。

Linux下的IO端口和IO記憶體

CPU對外設端口實體位址的編址方式有兩種：一種是IO映射方式，另一種是記憶體映射方式。 

　Linux将基于IO映射方式的和記憶體映射方式的IO端口統稱為IO區域（IO region）。

　　IO region仍然是一種IO資源，是以它仍然可以用resource結構類型來描述。

　　Linux管理IO region：

　　1) request_region()

　　把一個給定區間的IO端口配置設定給一個IO裝置。

　　2) check_region()

　　檢查一個給定區間的IO端口是否空閑，或者其中一些是否已經配置設定給某個IO裝置。

　　3) release_region()

　　釋放以前配置設定給一個IO裝置的給定區間的IO端口。

　　Linux中可以通過以下輔助函數來通路IO端口：

　　inb(),inw(),inl(),outb(),outw(),outl()

　　“b”“w”“l”分别代表8位，16位，32位。

　對IO記憶體資源的通路

　　1) request_mem_region()

　　請求配置設定指定的IO記憶體資源。

　　2) check_mem_region()

　　檢查指定的IO記憶體資源是否已被占用。

　　3) release_mem_region()

　　釋放指定的IO記憶體資源。

　　其中傳給函數的start address參數是記憶體區的實體位址（以上函數參數表已省略）。

　　驅動開發人員可以将記憶體映射方式的IO端口和外設記憶體統一看作是IO記憶體資源。

　　ioremap()用來将IO資源的實體位址映射到核心虛位址空間（3GB - 4GB）中，參數addr是指向核心虛位址的指針。

　　Linux中可以通過以下輔助函數來通路IO記憶體資源：

　　readb(),readw(),readl(),writeb(),writew(),writel()。

　　Linux在kernel/resource.c檔案中定義了全局變量ioport_resource和iomem_resource，來分别描述基于IO映射方式的整個IO端口空間和基于記憶體映射方式的IO記憶體資源空間（包括IO端口和外設記憶體）。