处理器访问外设的方式

众所周知，cpu访问并控制外设是通过读写外设寄存器实现的，那么寄存器的地址必然需要映射到cpu的地址空间中去（外设寄存器也称为I/O端口），因此有两种映射方式：I/O独立编址和I/O统一编址。

1.I/O独立编址。
统一和独立是相对于内存来说的，独立编址又称为端口映射，就是I/O端口自己独立使用一段地址空间，这段地址不在内存空间范围内，是给外设单独划分的一段地址，如x86采用的是独立编址。内核中将I/O端口映射并获取访问地址的接口是：

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#include<linux/ioport.h>
struct resource *request_region(unsigned long first, unsigned long n, const char *name);
void release_region(unsigned long start, unsigned long n);

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此函数告诉内核，要使用first开始的n个端口，name是设备的名称，即把这个设备映射到处理器的I/O访问区域中。
映射完成后，访问这些端口的接口是：
void outb(unsigned char byte, unsigned port);
void outw(unsigned char byte, unsigned port);
void outl(unsigned char byte, unsigned port);
或者：
unsigned inb(unsigned port);
unsigned inw(unsigned port);
unsigned inl(unsigned port);
这些操作都是一次只能传输一个数据，下面是串操作接口：
void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
从地址addr开始连续读写count数目的字节，只对单一端口port读写。

上面这些接口都是给驱动程序用的，即在内核中用，如果需要在用户空间访问I/O端口，需要满足以下条件，才能使用这些接口，这些接口在GNUC的库<sys/io.h>中定义。

• 编译程序时，必须用-O强制内联函数展开。
• 须用ioperm(单个端口)或iopl（整个I/O空间）系统调用获取对端口进行I/O操作的权限，这两个函数是x86平台特有的。
• 必须以root身份运行的程序才能调用ioperm和iopl。

如果宿主平台没有ioperm、iopl系统调用，也可以通过/dev/port设备文件来访问I/O端口。

2.I/O统一编址
统一编址又称I/O内存映射，就是把外设映射到内存空间，cpu不管访问外设还是内存，指令、方式都是一致的，如ARM、powerPC都是使用此种方式。I/O内存仅仅是类似RAM的一个区域，这种内存有很多用途，如存放视频数据、以太网数据包等。根据平台和总线的不同，I/O内存可能是也可能不是通过页表访问的，如果是通过页表访问，内核需要先调用ioremap安排物理地址使其对设备驱动程序可见。内核中I/O内存的分配映射接口：

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struct resource *request_mem_region(unsigned long start, unsigned long len, char *name);
void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);

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该函数从start(物理地址)开始分配len字节长的区域，所有I/O内存分配情况可以从/proc/iomem中得到。系统在分配完之后内核还不能访问，还需要映射：

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#include<asm/io.h>
void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);
void *ioremap_nocache(unsigned long phys_addr, unsigned long size);
void iounmap(void *addr);

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注意获取到的地址虽然和内存没什么区别，但是不能直接引用相应的指针，需要用以下接口访问：
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u8 value, void *addr);
void iowrite32(u8 value, void *addr);

有的硬件比较特殊，某些版本用I/O端口，有些版本用I/O内存，所有为了方便，2.6内核提供了一个接口重新映射端口到内存：

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void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);
void ioport_unmap(void *addr);

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该函数重新映射count个端口，使其看起来像I/O内存，这样驱动程序就可以在返回的地址上使用ioread8()等内存操作函数，而不必理会I/O端口和I/O内存之间的区别了。


I/O端口的访问和内存的最主要区别就是I/O操作具有边际效应，即必须按照指令发出的顺序依次执行，不能乱序或同时进行，否则达不到处理器要求的操作过程，而内存操作不同，为了提高效率，编译器一般会做些优化，如利用高速缓存保存数值、重新排序读写指令等，最终得到正确结果即可，中间的写操作可以等到最后刷到内存中。