Linux对I/O端口资源的管理

声明：本文摘自网络。

   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。

Linux对I/O资源的描述
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    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 {
    resource_size_t start;
    resource_size_t end;
    const char      *name;
    unsigned long   flags;
    struct resource *parent, *sibling, *child;
};

Linux对I/O资源的管理
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    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。
    资源的申请:    request_resource()
    资源的释放:    release_resource()
    寻找可用资源: --find_resource()
    分配资源:      allocate_resource()

管理I/O Region资源
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    Linux将基于I/O映射方式的I/O端口和基于内存映射方式的I/O端口资源统称为“I/O区域”(I/O Region)。I/O Region仍然是一种I/O资源，因此它仍然可以用resource结构类型来描述。下面我们就来看看Linux是如何管理I/O Region的。

    I/O Region的分配: __request_region()
    I/O Region的释放: __release_region()
    检查指定的I/O Region是否已被占用: __check_region()

管理I/O端口资源
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    我们都知道，采用I/O映射方式的X86处理器为外设实现了一个单独的地址空间，也即“I/O空间”(I/O Space)或称为“I/O端口空间”，其大小是64KB(0x0000-0xffff)。Linux在其所支持的所有平台上都实现了“I/O端口空间” 这一概念。
    由于I/O空间非常小，因此即使外设总线有一个单独的I/O端口空间，却也不是所有的外设都将其I/O端口(指寄存器)映射到“I/O端口空间”中。比如，大多数PCI卡都通过内存映射方式来将其I/O端口或外设内存映射到CPU的RAM物理地址空间中。而老式的ISA卡通常将其I/O端口映射到I/O端口空间中。
    Linux是基于“I/O Region”这一概念来实现对I/O端口资源(I/O-mapped 或 Memory-mapped)的管理的。

    资源根节点的定义:　　
    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I/O映射方式的整个I/O端口空间和基于内存映射方式的I/O内存资源空间(包括I/O端口和外设内存)。其定义如下：
struct resource ioport_resource = {
    .name   = "PCI IO",
    .start -= 0,
    .end    = IO_SPACE_LIMIT,
    .flags -= IORESOURCE_IO,
};

struct resource iomem_resource = {
    .name   = "PCI mem",
    .start -= 0,
    .end    = -1,
    .flags -= IORESOURCE_MEM,
};
    其中，宏IO_SPACE_LIMIT表示整个I/O空间的大小，对于X86平台而言，它是0xffff(定义在include/asm-i386/io.h头文件中)。显然，I/O内存空间的大小是4GB。

    对I/O端口空间的操作:
    基于I/O Region的操作函数__xxx_region()，Linux在头文件include/linux/ioport.h中定义了三个对I/O端口空间进行操作的接口：
    request_region()    请求在I/O端口空间中分配指定范围的I/O端口资源。
    check_region()      检查I/O端口空间中的指定I/O端口资源是否已被占用。       
    release_region()    释放I/O端口空间中的指定I/O端口资源。

    对I/O内存资源的操作:　　
    基于I/O Region的操作函数__xxx_region()，Linux在头文件include/linux/ioport.h中定义了三个对I/O内存资源进行操作的接口：
    request_mem_region()    请求分配指定的I/O内存资源。
    check_mem_region()      检查指定的I/O内存资源是否已被占用。
    release_mem_region()    释放指定的I/O内存资源。

访问I/O端口空间(I/O-mapped)
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    在驱动程序请求了I/O端口空间中的端口资源后，它就可以通过CPU的IO指定来读写这些I/O端口了。在读写I/O端口时要注意的一点就是，大多数平台都区分8位、16位和32位的端口，也即要注意I/O端口的宽度。
    inb() outb() inw() outw() inl() outl()

    unsigned char inb(unsigned port);
    port参数指定I/O端口空间中的端口地址。在大多数平台上(如x86)它都是unsigned short类型的，其它的一些平台上则是unsigned int类型的。显然，端口地址的类型是由I/O端口空间的大小来决定的。

    对I/O端口的字符串操作
    除了上述这些“单发”(single-shot)的I/O操作外，某些CPU也支持对某个I/O端口进行连续的读写操作，也即对单个I/O端口读或写一系列字节、字或32位整数，这就是所谓的“字符串I/O指令”(String Instruction)。这种指令在速度上显然要比用循环来实现同样的功能要快得多。
    insb() outsb() insw() outw() insl() outsl()

    Pausing I/O　　
    在一些平台上(典型地如X86)，对于老式总线(如ISA)上的慢速外设来说，如果CPU读写其I/O端口的速度太快，那就可能会发生丢失数据的现象。对于这个问题的解决方法就是在两次连续的I/O操作之间插入一段微小的时延，以便等待慢速外设。这就是所谓的“Pausing I/O”。
    对于Pausing I/O，Linux也在io.h头文件中定义了它的I/O读写函数，而且都以XXX_p命名，比如：inb_p()、outb_p()等等。

访问I/O内存资源(I/O Memory)
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    尽管I/O端口空间曾一度在x86平台上被广泛使用，但是由于它非常小，因此大多数现代总线的设备都以内存映射方式(Memory-mapped)来映射它的I/O端口(指I/O寄存器)和外设内存。基于内存映射方式的I/O端口称为"I/O内存"资源(I/O Memory)。因为基于内存映射方式的I/O和外设内存在硬件实现上的差异对于软件来说是完全透明的，所以驱动程序开发人员可以将内存映射方式的I/O端口和外设内存统一看作是“I/O内存”资源。
    I/O内存资源是在CPU的单一内存物理地址空间内进行编址的，也即它和系统RAM同处在一个物理地址空间内。因此通过CPU的访内指令就可以访问I/O内存资源。
    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，这可以通过系统固件(如BIOS)在启动时分配得到，或者通过设备的硬连线(hardwired)得到。比如，PCI卡的I/O内存资源的物理地址就是在系统启动时由PCI BIOS分配并写到PCI卡的配置空间中的BAR中的。而ISA卡的I/O内存资源的物理地址则是通过设备硬连线映射到640KB-1MB范围之内的。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，因为它们是在系统启动后才已知的(某种意义上讲是动态的)，所以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。

    映射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
    对于X86体系结构ioremap()定义在/usr/src/linux-2.6.21.5/include/asm-i386/io.h中

    读写I/O内存资源
    在将I/O内存资源的物理地址映射成核心虚地址后，理论上讲我们就可以象读写RAM那样直接读写I/O内存资源了。但是，由于在某些平台上，对 I/O内存和系统内存有不同的访问处理，因此为了确保跨平台的兼容性，Linux实现了一系列读写I/O内存资源的函数，这些函数在不同的平台上有不同的实现。但在x86平台上，读写I/O内存与读写RAM无任何差别。如下所示(include/asm-i386/io.h)：
    readb() readw() readl()
    writeb() writew() writel()
    memset_io() memcpy_fromio() memcpytoio()

    显然，在x86平台上访问I/O内存资源与访问系统主存RAM是无差别的。但是为了保证驱动程序的跨平台的可移植性，我们应该使用上面的函数来访问I/O内存资源，而不应该通过指向核心虚地址的指针来访问。