下面是今天看到兩篇關于linux中的 IO端口映射和IO內存映射的文章,時間關系,沒來得及深入理解,有空好好看看

CPU地址空間

CPU地址空間

(一)地址的概念

1)物理地址：CPU地址總線傳來的地址，由硬件電路控制其具體含義。物理地址中很大一部分是留給內存條中的內存的，但也常被映射到其他存儲器上?(如顯存、BIOS等)。在程序指令中的虛擬地址經過段映射和頁面映射后，就生成了物理地址，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(內存)用，一部分給總線用，這是由硬件設計來決定的，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總線用(總線上還掛著別的?許多設備)。在PC機中，一般是把低端物理地址給RAM用，高端物理地址給總線用。

2)總線地址：總線的地址線或在地址周期上產生的信號。外設使用的是總線地址，CPU使用的是物理地址。

物理地址與總線地址之間的關系由系統的設計決定的。在x86平臺上，物理地址就是總線地址，這是因為它們共享相同的地址空間——這句話有點難理解，詳見下?面的“獨立編址”。在其他平臺上，可能需要轉換/映射。比如：CPU需要訪問物理地址是0xfa000的單元，那么在x86平臺上，會產生一個PCI總線?上對0xfa000地址的訪問。因為物理地址和總線地址相同，所以憑眼睛看是不能確定這個地址是用在哪兒的，它或者在內存中，或者是某個卡上的存儲單元，?甚至可能這個地址上沒有對應的存儲器。

3)虛擬地址：現代操作系統普遍采用虛擬內存管理(Virtual?Memory?Management)機制，這需要MMU(Memory?Management?Unit)的支持。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執行單元發出的內存地址將直接傳到芯片引腳上，被?內存芯片(物理內存)接收，這稱為物理地址(Physical?Address)，如果處理器啟用了MMU，CPU執行單元發出的內存地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱為虛擬地址(Virtual?Address)，而MMU將這個地址翻譯成另一個地址發到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將虛擬地址映射成物理地址。

Linux中，進程的4GB(虛擬)內存分為用戶空間、內核空間。用戶空間分布為0~3GB(即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于?0xC0000000)

，剩下的1G為內核空間。程序員只能使用虛擬地址。系統中每個進程有各自的私有用戶空間(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上下文的虛擬地址，MMU再從頁表中找到這個虛擬地址的物理地址，完成取指。同樣讀取數據的也是虛擬地址，比如mov?ax,?var.?編譯時var就是一個虛擬地址，也是通過MMU從也表中來找到物理地址，再產生總線時序，完成取數據的。

(二)編址方式

1)外設都是通過讀寫設備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地址，將主存的一部分劃出來用作IO地址空間，如，在?PDP-11中，把最高的4K主存作為IO設備寄存器地址。端口占用了存儲器的地址空間，使存儲量容量減小。

統一編址也稱為“I/O內存”方式，外設寄存器位于“內存空間”(很多外設有自己的內存、緩沖區，外設的寄存器和內存統稱“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地址與存儲地址分開獨立編址，I/0端口地址不占用存儲空間的地址范圍，這樣，在系統中就存在了另一種與存儲地址無關的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，地址總線上過來一個地址，設備不知道是給IO端口的、還是?給存儲器的，于是處理器通過MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號來實現對I/O端口和存儲器的不同尋址。如，intel?80x86就采用單獨編址，CPU內存和I/O是一起編址的，就是說內存一部分的地址和I/O地址是重疊的。

獨立編址也稱為“I/O端口”方式，外設寄存器位于“I/O(地址)空間”。

對于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端口，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平臺普通使用了名為內存映射(MMIO)的技術，該技術是PCI規范的一部分，IO設備端口被映射到內存空間，映射后，CPU訪問IO端口就如同訪?問內存一樣。看Intel?TA?719文檔給出的x86/x64系統典型內存地址分配表：

系統資源??占用

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

BIOS??1M

本地APIC??4K

芯片組保留?2M

IO?APIC??4K

PCI設備??256M

PCI?Express設備?256M

PCI設備(可選)?256M

顯示幀緩存?16M

TSEG??1M

對于某一既定的系統，它要么是獨立編址、要么是統一編址，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，僅有內存空間，可直接用地址、指針訪問。但對于Linux內核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必須都要考慮這兩種方式，于是它采?用一種新的方法，將基于I/O映射方式的或內存映射方式的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)對外設的訪問

1、訪問I/O內存的流程是：request_mem_region()?->?ioremap()?->?ioread8()/iowrite8()?->?iounmap()?->?release_mem_region()?。

前面說過，IO內存是統一編址下的概念，對于統一編址，IO地址空間是物理主存的一部分，對于編程而言，我們只能操作虛擬內存，所以，訪問的第一步就是要把設備所處的物理地址映射到虛擬地址，Linux2.6下用ioremap():

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

然后，我們可以直接通過指針來訪問這些地址，但是也可以用Linux內核的一組函數來讀寫：

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

2、訪問I/O端口

訪問IO端口有2種途徑：I/O映射方式(I/O－mapped)、內存映射方式(Memory－mapped)。前一種途徑不映射到內存空間，直接使用?intb()/outb()之類的函數來讀寫IO端口；后一種MMIO是先把IO端口映射到IO內存(“內存空間”)，再使用訪問IO內存的函數來訪問?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“內存空間”，然后就可以在其返回的地址是像訪問IO內存一樣訪問這些IO端口。

Linux下的IO端口和IO內存

CPU對外設端口物理地址的編址方式有兩種：一種是IO映射方式，另一種是內存映射方式。

Linux將基于IO映射方式的和內存映射方式的IO端口統稱為IO區域(IO region)。

IO region仍然是一種IO資源，因此它仍然可以用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端口分配給一個IO設備。

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分配給某個IO設備。

3) release_region()

釋放以前分配給一個IO設備的給定區間的IO端口。

Linux中可以通過以下輔助函數來訪問IO端口：

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

“b”“w”“l”分別代表8位，16位，32位。

對IO內存資源的訪問

1) request_mem_region()

請求分配指定的IO內存資源。

2) check_mem_region()

檢查指定的IO內存資源是否已被占用。

3) release_mem_region()

釋放指定的IO內存資源。

其中傳給函數的start address參數是內存區的物理地址(以上函數參數表已省略)。

驅動開發人員可以將內存映射方式的IO端口和外設內存統一看作是IO內存資源。

ioremap()用來將IO資源的物理地址映射到內核虛地址空間(3GB - 4GB)中，參數addr是指向內核虛地址的指針。

Linux中可以通過以下輔助函數來訪問IO內存資源：

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

Linux在kernel/resource.c文件中定義了全局變量ioport_resource和iomem_resource，來分別描述基于IO映射方式的整個IO端口空間和基于內存映射方式的IO內存資源空間(包括IO端口和外設內存)。

1)關于IO與內存空間：

在X86處理器中存在著I/O空間的概念，I/O空間是相對于內存空間而言的，它通過特定的指令in、out來訪問。端口號標識了外設的寄存器地址。Intel語法的in、out指令格式為：

IN 累加器, {端口號│DX}

OUT {端口號│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，而僅存在內存空間。內存空間可以直接通過地址、指針來訪問，程序和程序運行中使用的變量和其他數據都存在于內存空間中。

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板，外設仍然可以只掛接在內存空間。此時，CPU可以像訪問一個內存單元那樣訪問外設I/O端口，而不需要設立專門的I/O指令。因此，內存空間是必須的，而I/O空間是可選的。

(2)inb和outb：

在Linux設備驅動中，宜使用Linux內核提供的函數來訪問定位于I/O空間的端口，這些函數包括：

· 讀寫字節端口(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);

· 讀寫一串字節

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個字節端口，并將讀取結果寫入addr指向的內存；outsb()將addr指向的內存的count個字節連續地寫入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端口號port的類型高度依賴于具體的硬件平臺，因此，只是寫出了unsigned。

來源：

http://blog.csdn.net/zyhorse2010/article/details/6590488