Linux驱动程序开发 - 设备IO

序言：
前面我们提到，设备驱动程序的主要功能操作设备，更准确的说就是如何操作设备寄存器或设备内存。不同的计算机体系结构提供了不同的设备操作接口，主要就是 IO端口映射（Ports）或IO内存映射（Memory-Map ）。例如X86平台，它对设备的访问就同时提供了IO端口映射方式或IO内存映射方式，这个在大学的汇编语言课程里有详细的介绍，当然还有一些平台紧提供 IO内存映射。IO端口映射方式是CPU提供了独立的地址空间给设备IO，并且使用特定的汇编指令操作IO端口。IO内存映射方式提供了统一的内存编址方 式来访问设备IO，就像你访问系统内存一样。

通常对于一个给定的硬件平台电路板，它的设备寄存器或内存的物理地址就是确定的了，或者是相对确定的了（它们具有自己的IO地址空间）。但对于向 Linux这样的操作系统，驱动程序是不能直接访问设备的物理地址的，它必须把设备的物理地址映射到Linux内核的虚拟地址空间，这样驱动程序才能通过 虚拟地址操作设备。

IO区域：
Linux中使用IO区域（IO Region）来管理设备IO无论它是IO端口映射还是IO内存映射。IO区域是基于IO资源（Resource）来实现的，我们首先来看看IO资源在Linux里的定义：

struct resource {
    resource_size_t start;
    resource_size_t end;
    const char *name;
    unsigned long flags;
    struct resource *parent, *sibling, *child;
};
#define IORESOURCE_IO        0x00000100   
#define IORESOURCE_MEM        0x00000200
#define IORESOURCE_IRQ        0x00000400
#define IORESOURCE_DMA        0x00000800

extern int request_resource(struct resource *root, struct resource *new);
extern int release_resource(struct resource *new);

很明显，它是一个树结构。Linux里将IO资源分成不同的类型，如IO（Port）、MEM、IRQ、DMA，同时内核提供了IO Resource的操作函数，用于分配、请求、释放IO资源。

如果管理的IO资源有多个，直接使用IO资源函数就显得有些麻烦，还好Linux可以使用IO区域来管理这些资源，具体来说，就是Linux定义了一些宏管理IO资源，定义在头文件中，如下：

#define request_region(start,n,name)  __request_region(&ioport_resource,(start), (n),(name))
#define request_mem_region(start,n,name)__request_region(&iomem_resource,(start), (n),(name))

#define release_region(start,n)    __release_region(&ioport_resource, (start), (n))
#define check_mem_region(start,n)    __check_region(&iomem_resource, (start), (n))
#define release_mem_region(start,n)    __release_region(&iomem_resource, (start), (n))

在实际的编程中，我们基本上是使用这些宏来操作IO资源，即使你只有一个IO资源，这样可以保证程序的可扩展性和跨平台的兼容性。当然，你必须获取到IO 资源后才可以在Linux内核中操作IO设备。因此，一般来说，你需要在驱动的初始化函数在调用IO区域请求函数来获取IO区域。

最后要说明一点，就是这些宏操作的IO资源有两类，分别是ioport_resource和iomem_resource，他们定义在中：

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,
};

IO 端口映射：
在一些平台，特别是X86平台，外设通常具有一个独立的地址空间，叫IO地址空间，对IO地址空间的访问必须使用特定的IO指令（如x86的IN/OUT 指令）。还有一些平台并没有IO地址空间，所有的IO都是内存映射（memory-mapped）的，为了提供程序的跨平台及兼容性，Linux为那些并 不支持IO地址空间的平台提供了IO端口操作函数，他们实际上还是通过访问IO内存映射地址来访问的。因此，不管你的程序是使用IO端口映射还是IO内存 映射，它都可以很好的运行到各种平台上。

回到我们的主题-IO端口映射。前面我们提到，在使用IO设备之前我们必须向Linux内核申请使用的资源，因此通常在我们的设备初始化函数或探测函数之中会有如下的代码：

if (!request_region(io_addr, IO_NUM, DRV_NAME))
        return -ENODEV;

如果成功申请了IO端口资源，那么我们就可以调用IO端口访问函数来访问IO端口了，它们通常定义在头文件中（每个平台的定义都有所不同，但类似于下表）具体请参考头文件：

inb(unsigned port)
outb(u8 v, unsigned port)
inw(unsigned port)
oubw(u16 v, unsigned port)
inl(unsigned port)
outl(u32 v, unsigned port)

IO内存映射（memory-mapped）
一些新的驱动程序都会使用IO内存映射方式来访问IO设备，因为有些平台仅仅支持IO内存映射，如ARM平台。通常来说，使用IO内存就象使用系统RAM 内存一样的简单，确实有些平台是支持这样的访问的，但还是有些平台不能象访问内存那样直接使用IO内存地址来访问外设IO（Register和RAM）， 因此内核提供了一组通用的API来支持程序的跨平台及可移植性。

Linux内核提供了两种操作IO内存的函数，一组类似于IO端口函数用于读取1、2、4个字节数据，定义在头文件中：

ioread8(p)
ioread16(p)
ioread32(p)
iowrite8(v,p)
iowrite16(v,p)
iowrite32(v,p)

这些是新的IO内存操作函数，我们推荐你使用这些函数。如果你浏览Linux内核，你会发现还有其他一些函数接口，它们是老的IO内存操作函 数，Linux内核会慢慢舍弃这些函数接口，因此尽量不要使用这些函数，但有必要在这里把这些函数列出来，因为确实还是有一些新的驱动仍然使用它们（参 考）:

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

如果你想象操作内存那样成块的操作IO内存，内核提供了另外的方法，它们类似于内存操作函数。推荐你使用这些函数操作IO内存而不是直接使用IO内存地址，这样你的程序可以移植到不同的平台上，它们定义在头文件中。

extern void _memcpy_fromio(void *, const volatile void __iomem *, size_t);
extern void _memcpy_toio(volatile void __iomem *, const void *, size_t);
extern void _memset_io(volatile void __iomem *, int, size_t);

同样在使用IO内存之前，你需要向Linux内核申请IO区域：

if (!request_mem_region(mapbase, size, DRVNAME)) {
            ret = -EBUSY;
            break;
}

申请完IO区域后，你还不能直接使用它们，你必须把这个地址映射到Linux内核的虚拟地址空间中来，这个操作是通过ioremap函数来实现的，请参考头文件：

membase = ioremap(mapbase, size);

通过这两步操作后，你就可以调用IO内存函数来访问设备IO了。

IO端口重映射
这里说的IO端口重映射不是ioremap的功能，ioremap是将IO内存映射到Linux内核的虚拟地址空间中。我们说的IO端口重映射是将IO端 口映射为IO内存，这样就可以象操作IO内存一样操作IO端口了。这样做的好处是我们可以统一驱动程序的接口（都使用IO内存映射），避免为同一个设备提 供不同的驱动接口。这个函数同样定义在头文件中：

extern void __iomem *ioport_map(unsigned long port, unsigned int nr);
extern void ioport_unmap(void __iomem *addr);

有一点要注意，在调用完IO端口重映射后，还是需要调用ioremap函数把它映射到Linux内核的虚拟地址空间中来。

后记
设备IO的操作就是这些了，其实在我们的编程中只要调用几个简单的函数或宏就可以完成IO端口的操作了。这里有个问题没有说明，就是设备的访问是需要同步 的或着需要延时等待一段时间才能进行下一步的操作。我们在《内核同步技术》一章有个简单的介绍，后面我们将补充几个例子来进一步说明如何进行IO操作。