IO端口和IO内存映射(zz)

A.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.

B.

在驱动程序编写过程中，很少会注意到IO Port和IO Mem的区别。虽然使用一些不符合规范的代码可以达到最终目的，这是极其不推荐使用的。

结合下图，我们彻底讲述IO端口和IO内存以及内存之间的关系。主存16M字节的SDRAM，外设是个视频采集卡，上面有16M字节的SDRAM作为缓冲区。

1.         CPU是i386架构的情况

在i386系列的处理中，内存和外部IO是独立编址，也是独立寻址的。MEM的内存空间是32位可以寻址到4G，IO空间是16位可以寻址到64K。

在Linux内核中，访问外设上的IO Port必须通过IO Port的寻址方式。而访问IO Mem就比较罗嗦，外部MEM不能和主存一样访问，虽然大小上不相上下，可是外部MEM是没有在系统中注册的。访问外部IO MEM必须通过remap映射到内核的MEM空间后才能访问。

为了达到接口的同一性，内核提供了IO Port到IO Mem的映射函数。映射后IO Port就可以看作是IO Mem，按照IO Mem的访问方式即可。

2.         CPU是ARM 或PPC架构的情况

在这一类的嵌入式处理器中，IO Port的寻址方式是采用内存映射，也就是IO bus就是Mem bus。系统的寻址能力如果是32位，IO Port＋Mem（包括IO Mem）可以达到4G。

访问这类IO Port时，我们也可以用IO Port专用寻址方式。至于在对IO Port寻址时，内核是具体如何完成的，这个在内核移植时就已经完成。在这种架构的处理器中，仍然保持对IO Port的支持，完全是i386架构遗留下来的问题，在此不多讨论。而访问IO Mem的方式和i386一致。

 

注意：linux内核给我提供了完全对IO Port和IO Mem的支持，然而具体去看看driver目录下的驱动程序，很少按照这个规范去组织IO Port和IO Mem资源。对这二者访问最关键问题就是地址的定位，在C语言中，使用volatile 就可以实现。很多的代码访问IO Port中的寄存器时，就使用volatile关键字，虽然功能可以实现，我们还是不推荐使用。就像最简单的延时莫过于while，可是在多任务的系统中是坚决避免的！

一般来说，在系统运行时，外设的I/O内存资源的物理地址是已知的，由硬件的设计决定。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围，驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源，而必须将它们映射到核心虚地址空间内（通过页表），然后才能根据映射所得到的核 心虚地址范围，通过访内指令访问这些I/O内存资源。Linux在io.h头文件中声明了函数ioremap（），用来将I/O内存资源的物理地址映射到 核心虚地址空间（3GB－4GB）中。   

1.对IO端口的操作：

申请->访问->释放

申请 ：request_region

访问：

8位  读 intb 写 outb

16位  intw      outw

32位 intl         outl

释放：release_region

2.对IO内存的操作：

申请->映射->访问->释放

申请：request_mem_region 申请到的是物理地址

映射：ioremap                          将申请到的物理地址映射成虚拟地址

访问：ioread8 iowrite8

            ioread16 iowrite16

            ioread32 iowrite32

释放：

iounmap

release_mem_region

CPU对外设端口物理地址的编址方式有两种：一种是IO映射方式，另一种是内存映射方式。

      Linux将基于IO映射方式的和内存映射方式的IO端口统称为IO区域（IO region）。

　　IO region仍然是一种IO资源，因此它仍然可以用resource结构类型来描述。

　　Linux管理IO region：

　　1) request_region()

　　把一个给定区间的IO端口分配给一个IO设备。

　　2) check_region()

　　检查一个给定区间的IO端口是否空闲，或者其中一些是否已经分配给某个IO设备。

　　3) release_region()

　　释放以前分配给一个IO设备的给定区间的IO端口。

　　Linux中可以通过以下辅助函数来访问IO端口：

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

　　“b”“w”“l”分别代表8位，16位，32位。

对IO内存资源的访问

　　1) request_mem_region()

　　请求分配指定的IO内存资源。

　　2) check_mem_region()

　　检查指定的IO内存资源是否已被占用。

　　3) release_mem_region()

　　释放指定的IO内存资源。

　　其中传给函数的start address参数是内存区的物理地址（以上函数参数表已省略）。

　　驱动开发人员可以将内存映射方式的IO端口和外设内存统一看作是IO内存资源。

　　ioremap()用来将IO资源的物理地址映射到内核虚地址空间（3GB - 4GB）中，参数addr是指向内核虚地址的指针。

　　Linux中可以通过以下辅助函数来访问IO内存资源：

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

　　Linux在kernel/resource.c文件中定义了全局变量ioport_resource和 iomem_resource，来分别描述基于IO映射方式的整个IO端口空间和基于内存映射方式的IO内存资源空间（包括IO端口和外设内存）。

C. Linux对I/O资源的描述

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。他们确定了资源的范围，也即是个闭区间[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，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。他有两个参数：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。该函数的原始码如下（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，所有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能看出，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被其 他节点所占用，则函数返回和new相冲突的resource结构的指针。否则就返回NULL。该函数的原始码如下

（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
                return root;
      if (start 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
                         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，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，表示和根结点相冲突。
　　 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，他用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指针为空说明已遍历完整个child链表），或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，于是就能把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。然后函数就能返回了（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和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。为此他首先修改指针 p，让他指向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，他指向所要释放的资源。起原始码如下：

int release_resource(struct resource *old)
{
      int retval;

      write_lock(&resource_lock);
      retval = __release_resource(old);
      write_unlock(&resource_lock);
      return retval;
}
　　能看出，他实际上通过调用__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（如果已存在的话）从其父资源的child链表重摘 除，他的原始码如下：

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，他让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。其原始码如下：

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。其函数原始码如下：

/*
* 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
                         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 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，他让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（即根节点没有所有子资源）。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参数的需求（end－start＋1>=size）。如果这两个条件均满足，则说明我们已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，然后就能返回了（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，说明已扫描完整个child链表，因此就能推出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。其原始码如 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）。其原始码如下：

int get_resource_list(struct resource *root, char *buf, int size)
{
      char *fmt;
      int retval;

      fmt = "        %08lx-%08lx : %s
";
      if (root->end
                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;
}
　　能看 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，其原始码如下：

/*
* 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
                offset = 0;

      while (entry) {
                const char *name = entry->name;
                unsigned long from, to;

                if ((int) (end-buf)
                         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{}循环及递归嵌套调用来实现， 较为简单，这里就不在周详解释了。