實體位址和虛拟位址的差別

（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用

戶空間（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映射方式的或内

存映射方式的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）。

1）關于io與記憶體空間：

在x86處理器中存在着i/o空間的概念，i/o空間是相對于記憶體空間而言的，它通過特定的指令in、

out來通路。端口号辨別了外設的寄存器位址。intel文法的in、out指令格式為：

in 累加器, {端口号│dx}

out {端口号│dx},累加器

目前，大多數嵌入式微控制器如arm、powerpc等中并不提供i/o空間，而僅存在記憶體空間。

記憶體空間可以直接通過位址、指針來通路，程式和程式運作中使用的變量和其他資料都存

在于記憶體空間中。 

即便是在x86處理器中，雖然提供了i/o空間，如果由我們自己設計電路闆，外設仍然可以

隻挂接在記憶體空間。此時，cpu可以像通路一個記憶體單元那樣通路外設i/o端口，而不需要設

立專門的i/o指令。是以，記憶體空間是必須的，而i/o空間是可選的。

（2）inb和outb：

在linux裝置驅動中，宜使用linux核心提供的函數來通路定位于i/o空間的端口，這些函數包括：

· 讀寫位元組端口（8位寬）

unsigned inb(unsigned port); 

void outb(unsigned char byte, unsigned port); 

· 讀寫字端口（16位寬）

unsigned inw(unsigned port); 

void outw(unsigned short word, unsigned port); 

· 讀寫長字端口（32位寬）

unsigned inl(unsigned port); 

void outl(unsigned longword, unsigned port); 

· 讀寫一串位元組

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

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

· insb()從端口port開始讀count個位元組端口，并将讀取結果寫入addr指向的記憶體；

outsb()将addr指向的記憶體的count個位元組連續地寫入port開始的端口。

· 讀寫一串字

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

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

· 讀寫一串長字

void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 

void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 

上述各函數中i/o端口号port的類型高度依賴于具體的硬體平台，是以，

隻是寫出了unsigned。