IO端口与IO内存

 概念：     

     IO空间与内存空间

   讲这个问题，就涉及到硬件知识，X86体系中，具有两个地址空间：IO空间和内存空间，而RISC指令系统的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间，即内存空间。

      内存空间：内存地址寻址范围，32位操作系统内存空间为2的32次幂，即4G。

      IO空间：X86特有的一个空间，与内存空间彼此独立的地址空间，32位X86有64K的IO空间。

      IO端口：当寄存器或内存位于IO空间时，称为IO端口。一般寄存器也俗称I/O端口,或者说I/O ports,这个I/O端口可以被映射在Memory Space,也可以被映射在I/O Space。

      IO内存：当寄存器或内存位于内存空间时，称为IO内存

      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，而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。（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））。

    有些体系结构的CPU（如，ARM， 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的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。

     下面是摘抄：

   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16作为缓冲区。                                

1. CPU是X86架构linux内核的情况

   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