IO端口，io内存， 物理地址， 虚拟地址 1

摘要
　　本文主要从内核实现的角度分析Linux 2.4.0内核IO子系统中对IO端口资源的管理的实现原理。本文是为那些想要深入分析Linux的IO子系统的读者和设备驱动程序开发人员而写的。(2002-10-08 14:14:05)

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　　Copyright © 2002 by 詹荣开
　　E-mail:[e-mail]
　　Linux-2.4.0
　　Version 1.0.0，2002-10-1

　　关键词：设备管理、驱动程序、I/O端口、资源

　　申明：这份文档是按照自由软件开放源代码的精神发布的，任何人可以免费获得、使用和重新发布，但是你没有限制别人重新发布你发布内容的权利。发布本文的目的是希望它能对读者有用，但没有任何担保，甚至没有适合特定目的的隐含的担保。更详细的情况请参阅GNU通用公共许可证(GPL)，以及GNU自由文档协议(GFDL)。

 

　　几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的。外设寄存器也称为“I/O端口”，通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类，而且一个外设的寄存器通常被连续地编址。CPU对外设IO端口物理地址的编址方式有两种：一种是I/O映射方式（I/O－mapped），另一种是内存映射方式（Memory－mapped）。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。

　　有些体系结构的CPU（如，PowerPC、m68k等）通常只实现一个物理地址空间（RAM）。在这种情况下，外设I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中，而成为内存的一部分。此时，CPU可以象访问一个内存单元那样访问外设I/O端口，而不需要设立专门的外设I/O指令。这就是所谓的“内存映射方式”（Memory－mapped）。

　　而另外一些体系结构的CPU（典型地如X86）则为外设专门实现了一个单独地地址空间，称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间，所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）来访问这一空间中的地址单元（也即I/O端口）。这就是所谓的“I/O映射方式”（I/O－mapped）。与RAM物理地址空间相比，I/O地址空间通常都比较小，如x86 CPU的I/O空间就只有64KB（0－0xffff）。这是“I/O映射方式”的一个主要缺点。

　　Linux将基于I/O映射方式的或内存映射方式的I/O端口通称为“I/O区域”（I/O region）。在讨论对I/O区域的管理之前，我们首先来分析一下Linux是如何实现“I/O资源”这一抽象概念的。

3．1 Linux对I/O资源的描述

　　Linux设计了一个通用的数据结构resource来描述各种I/O资源（如：I/O端口、外设内存、DMA和IRQ等）。该结构定义在include/linux/ioport.h头文件中：

　　struct resource {

         const char *name;

         unsigned long start, end;

         unsigned long flags;

         struct resource *parent, *sibling, *child;

　　};

　　各成员的含义如下：

　　1. name指针：指向此资源的名称。
　　2. start和end：表示资源的起始物理地址和终止物理地址。它们确定了资源的范围，也即是一个闭区间[start,end]。
　　3. flags：描述此资源属性的标志（见下面）。
　　4. 指针parent、sibling和child：分别为指向父亲、兄弟和子资源的指针。

　　属性flags是一个unsigned long类型的32位标志值，用以描述资源的属性。比如：资源的类型、是否只读、是否可缓存，以及是否已被占用等。下面是一部分常用属性标志位的定义（ioport.h）：

/*

 * IO resources have these defined flags.

 */

#define IORESOURCE_BITS            0x000000ff       /* Bus-specific bits */

#define IORESOURCE_IO              0x00000100       /* Resource type */

#define IORESOURCE_MEM             0x00000200

#define IORESOURCE_IRQ             0x00000400

#define IORESOURCE_DMA             0x00000800

#define IORESOURCE_PREFETCH        0x00001000       /* No side effects */

#define IORESOURCE_READONLY        0x00002000

#define IORESOURCE_CACHEABLE       0x00004000

#define IORESOURCE_RANGELENGTH     0x00008000

#define IORESOURCE_SHADOWABLE      0x00010000

#define IORESOURCE_BUS_HAS_VGA     0x00080000

#define IORESOURCE_UNSET  0x20000000

#define IORESOURCE_AUTO            0x40000000

#define IORESOURCE_BUSY            0x80000000

         /* Driver has marked this resource busy */

　　指针parent、sibling和child的设置是为了以一种树的形式来管理各种I/O资源。

3．2 Linux对I/O资源的管理

　　Linux是以一种倒置的树形结构来管理每一类I/O资源（如：I/O端口、外设内存、DMA和IRQ）的。每一类I/O资源都对应有一颗倒置的资源树，树中的每一个节点都是一个resource结构，而树的根结点root则描述了该类资源的整个资源空间。

　　基于上述这个思想，Linux在kernel/Resource.c文件中实现了对资源的申请、释放及查找等操作。

　　3．2．1 I/O资源的申请

　　假设某类资源有如下这样一颗资源树：

　　节点root、r1、r2和r3实际上都是一个resource结构类型。子资源r1、r2和r3通过sibling指针链接成一条单向非循环链表，其表头由root节点中的child指针定义，因此也称为父资源的子资源链表。r1、r2和r3的parent指针均指向他们的父资源节点，在这里也就是图中的root节点。

　　假设想在root节点中分配一段I/O资源（由图中的阴影区域表示）。函数request_resource()实现这一功能。它有两个参数：①root指针，表示要在哪个资源根节点中进行分配；②new指针，指向描述所要分配的资源（即图中的阴影区域）的resource结构。该函数的源代码如下（kernel/resource.c）:

　　int request_resource(struct resource *root, struct resource *new)

　　{

         struct resource *conflict;

         write_lock(&resource_lock);

         conflict = __request_resource(root, new);

         write_unlock(&resource_lock);

         return conflict ? -EBUSY : 0;

　　}

　　对上述函数的NOTE如下：

　　①资源锁resource_lock对所有资源树进行读写保护，任何代码段在访问某一颗资源树之前都必须先持有该锁。其定义如下（kernel/Resource.c）：

　　static rwlock_t resource_lock = RW_LOCK_UNLOCKED;

　　②可以看出，函数实际上是通过调用内部静态函数__request_resource()来完成实际的资源分配工作。如果该函数返回非空指针，则表示有资源冲突；否则，返回NULL就表示分配成功。

　　③最后，如果conflict指针为NULL，则request_resource()函数返回返回值0，表示成功；否则返回－EBUSY表示想要分配的资源已被占用。

　　函数__request_resource()完成实际的资源分配工作。如果参数new所描述的资源中的一部分或全部已经被其它节点所占用，则函数返回与new相冲突的resource结构的指针。否则就返回NULL。该函数的源代码如下

（kernel/Resource.c）：

/* Return the conflict entry if you can't request it */

static struct resource * __request_resource

　　(struct resource *root, struct resource *new)

{

         unsigned long start = new->start;

         unsigned long end = new->end;

         struct resource *tmp, **p;

         if (end < start)

                 return root;

         if (start < root->start)

                 return root;

         if (end > root->end)

                 return root;

         p = &root->child;

         for (;;) {

                 tmp = *p;

                 if (!tmp || tmp->start > end) {

                          new->sibling = tmp;

                          *p = new;

                          new->parent = root;

                          return NULL;

                 }

                 p = &tmp->sibling;

                 if (tmp->end < start)

                          continue;

                 return tmp;

         }

}

　　对函数的NOTE：

　　①前三个if语句判断new所描述的资源范围是否被包含在root内，以及是否是一段有效的资源（因为end必须大于start）。否则就返回root指针，表示与根结点相冲突。

　　②接下来用一个for循环遍历根节点root的child链表，以便检查是否有资源冲突，并将new插入到child链表中的合适位置（child链表是以I/O资源物理地址从低到高的顺序排列的）。为此，它用tmp指针指向当前正被扫描的resource结构，用指针p指向前一个resource结构的sibling指针成员变量，p的初始值为指向root－>sibling。For循环体的执行步骤如下：

　　l 让tmp指向当前正被扫描的resource结构（tmp＝*p）。

　　l 判断tmp指针是否为空（tmp指针为空说明已经遍历完整个child链表），或者当前被扫描节点的起始位置start是否比new的结束位置end还要大。只要这两个条件之一成立的话，就说明没有资源冲突，于是就可以把new链入child链表中：①设置new的sibling指针指向当前正被扫描的节点tmp（new->sibling=tmp）；②当前节点tmp的前一个兄弟节点的sibling指针被修改为指向new这个节点（*p=new）；③将new的parent指针设置为指向root。然后函数就可以返回了（返回值NULL表示没有资源冲突）。

　　l 如果上述两个条件都不成立，这说明当前被扫描节点的资源域有可能与new相冲突（实际上就是两个闭区间有交集），因此需要进一步判断。为此它首先修改指针p，让它指向tmp->sibling，以便于继续扫描child链表。然后，判断tmp->end是否小于new->start，如果小于，则说明当前节点tmp和new没有资源冲突，因此执行continue语句，继续向下扫描child链表。否则，如果tmp->end大于或等于new->start，则说明tmp->[start,end]和new->[start,end]之间有交集。所以返回当前节点的指针tmp，表示发生资源冲突。

　　3．2．2 资源的释放

　　函数release_resource()用于实现I/O资源的释放。该函数只有一个参数——即指针old，它指向所要释放的资源。起源代码如下：

int release_resource(struct resource *old)

{

         int retval;

         write_lock(&resource_lock);

         retval = __release_resource(old);

         write_unlock(&resource_lock);

         return retval;

}

　　可以看出，它实际上通过调用__release_resource()这个内部静态函数来完成实际的资源释放工作。函数__release_resource()的主要任务就是将资源区域old（如果已经存在的话）从其父资源的child链表重摘除，它的源代码如下：

static int __release_resource(struct resource *old)

{

         struct resource *tmp, **p;

         p = &old->parent->child;

         for (;;) {

                 tmp = *p;

                 if (!tmp)

                          break;

                 if (tmp == old) {

                          *p = tmp->sibling;

                          old->parent = NULL;

                          return 0;

                 }

                 p = &tmp->sibling;

         }

         return -EINVAL;

}

　　对上述函数代码的NOTE如下：

　　同函数__request_resource()相类似，该函数也是通过一个for循环来遍历父资源的child链表。为此，它让tmp指针指向当前被扫描的资源，而指针p则指向当前节点的前一个节点的sibling成员（p的初始值为指向父资源的child指针）。循环体的步骤如下：

　　①首先，让tmp指针指向当前被扫描的节点（tmp＝*p）。

　　②如果tmp指针为空，说明已经遍历完整个child链表，因此执行break语句推出for循环。由于在遍历过程中没有在child链表中找到参数old所指定的资源节点，因此最后返回错误值－EINVAL，表示参数old是一个无效的值。

　　③接下来，判断当前被扫描节点是否就是参数old所指定的资源节点。如果是，那就将old从child链表中去除，也即让当前结点tmp的前一个兄弟节点的sibling指针指向tmp的下一个节点，然后将old－>parent指针设置为NULL。最后返回0值表示执行成功。

　　④如果当前被扫描节点不是资源old，那就继续扫描child链表中的下一个元素。因此将指针p指向tmp－>sibling成员。

　　3．2．3 检查资源是否已被占用，

　　函数check_resource()用于实现检查某一段I/O资源是否已被占用。其源代码如下：

int check_resource(struct resource *root, unsigned long start, unsigned long len)

{

         struct resource *conflict, tmp;

         tmp.start = start;

         tmp.end = start + len - 1;

         write_lock(&resource_lock);

         conflict = __request_resource(root, &tmp);

         if (!conflict)

                 __release_resource(&tmp);

         write_unlock(&resource_lock);

         return conflict ? -EBUSY : 0;

}

　　对该函数的NOTE如下：

　　①构造一个临时资源tmp，表示所要检查的资源[start,start+end-1]。

　　②调用__request_resource()函数在根节点root申请tmp所表示的资源。如果tmp所描述的资源还被人使用，则该函数返回NULL，否则返回非空指针。因此接下来在conflict为NULL的情况下，调用__release_resource()将刚刚申请的资源释放掉。

　　③最后根据conflict是否为NULL，返回－EBUSY或0值。

　　3．2．4 寻找可用资源

　　函数find_resource()用于在一颗资源树中寻找未被使用的、且满足给定条件的（也即资源长度大小为size，且在[min,max]区间内）的资源。其函数源代码如下：

/*

 * Find empty slot in the resource tree given range and alignment.

 */

static int find_resource(struct resource *root, struct resource *new,

                   unsigned long size,

                   unsigned long min, unsigned long max,

                   unsigned long align,

                   void (*alignf)(void *, struct resource *, unsigned long),

                   void *alignf_data)

{

         struct resource *this = root->child;

         new->start = root->start;

         for(;;) {

                 if (this)

                          new->end = this->start;

                 else

                          new->end = root->end;

                 if (new->start < min)

                          new->start = min;

                 if (new->end > max)

                          new->end = max;

                 new->start = (new->start + align - 1) & ~(align - 1);

                 if (alignf)

                          alignf(alignf_data, new, size);

                 if (new->start < new->end && new->end - new->start + 1 >= size) 

                  {

                          new->end = new->start + size - 1;

                          return 0;

                 }

                 if (!this)

                          break;

                 new->start = this->end + 1;

                 this = this->sibling;

         }

         return -EBUSY;

}

　　对该函数的NOTE如下：

　　同样，该函数也要遍历root的child链表，以寻找未被使用的资源空洞。为此，它让this指针表示当前正被扫描的子资源节点，其初始值等于root->child，即指向child链表中的第一个节点，并让new->start的初始值等于root->start，然后用一个for循环开始扫描child链表，对于每一个被扫描的节点，循环体执行如下操作：

　　①首先，判断this指针是否为NULL。如果不为空，就让new->end等于this->start，也即让资源new表示当前资源节点this前面那一段未使用的资源区间。

　　②如果this指针为空，那就让new->end等于root->end。这有两层意思：第一种情况就是根结点的child指针为NULL（即根节点没有任何子资源）。因此此时先暂时将new->end放到最大。第二种情况就是已经遍历完整个child链表，所以此时就让new表示最后一个子资源后面那一段未使用的资源区间。

　　③根据参数min和max修正new->[start,end]的值，以使资源new被包含在[min,max]区域内。

　　④接下来进行对齐操作。

　　⑤然后，判断经过上述这些步骤所形成的资源区域new是否是一段有效的资源（end必须大于或等于start），而且资源区域的长度满足size参数的要求（end－start＋1>=size）。如果这两个条件均满足，则说明我们已经找到了一段满足条件的资源空洞。因此在对new->end的值进行修正后，然后就可以返回了（返回值0表示成功）。

　　⑥如果上述两条件不能同时满足，则说明还没有找到，因此要继续扫描链表。在继续扫描之前，我们还是要判断一下this指针是否为空。如果为空，说明已经扫描完整个child链表，因此就可以推出for循环了。否则就将new->start的值修改为this->end+1，并让this指向下一个兄弟资源节点，从而继续扫描链表中的下一个子资源节点。

　　3．2．5 分配接口allocate_resource()

　　在find_resource()函数的基础上，函数allocate_resource()实现：在一颗资源树中分配一条指定大小的、且包含在指定区域[min,max]中的、未使用资源区域。其源代码如下：

/*

 * Allocate empty slot in the resource tree given range and alignment.

 */

int allocate_resource(struct resource *root, struct resource *new,

                       unsigned long size,

                       unsigned long min, unsigned long max,

                       unsigned long align,

                       void (*alignf)(void *, struct resource *, unsigned long),

                       void *alignf_data)

{

    int err;

    write_lock(&resource_lock);

    err = find_resource(root, new, size, min, max, align, alignf, alignf_data);

    if (err >= 0 && __request_resource(root, new))

         err = -EBUSY;

    write_unlock(&resource_lock);

    return err;

}

　　3．2．6 获取资源的名称列表

　　函数get_resource_list()用于获取根节点root的子资源名字列表。该函数主要用来支持/proc/文件系统（比如实现proc/ioports文件和/proc/iomem文件）。其源代码如下：

int get_resource_list(struct resource *root, char *buf, int size)

{

         char *fmt;

         int retval;

         fmt = "        %08lx-%08lx : %s

";

         if (root->end < 0x10000)

                 fmt = "        %04lx-%04lx : %s

";

         read_lock(&resource_lock);

         retval = do_resource_list(root->child, fmt, 8, buf, buf + size) - buf;

         read_unlock(&resource_lock);

         return retval;

}

　　可以看出，该函数主要通过调用内部静态函数do_resource_list()来实现其功能，其源代码如下：

/*

 * This generates reports for /proc/ioports and /proc/iomem

 */

static char * do_resource_list(struct resource *entry, const char *fmt, 

　　int offset, char *buf, char *end)

{

         if (offset < 0)

                 offset = 0;

         while (entry) {

                 const char *name = entry->name;

                 unsigned long from, to;

                 if ((int) (end-buf) < 80)

                          return buf;

                 from = entry->start;

                 to = entry->end;

                 if (!name)

                          name = "";

                 buf += sprintf(buf, fmt + offset, from, to, name);

                 if (entry->child)

                    buf = do_resource_list(entry->child, fmt, offset-2, buf, end);

                 entry = entry->sibling;

         }

         return buf;

}

　　函数do_resource_list()主要通过一个while{}循环以及递归嵌套调用来实现，较为简单，这里就不在详细解释了。