Linux設備驅動(dòng)之I/O端口與I/O內存

一、統一編址與獨立編址

從CPU連出來(lái)一把線(xiàn)：數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)，這把線(xiàn)上掛著(zhù)N個(gè)接口，有相同的，有不同的，名字叫做存儲器接口、中斷控制接口、DMA接口、并行接口、串行接口、AD接口……一個(gè)設備要想接入，就用自己的接口和總線(xiàn)上的某個(gè)匹配接口對接……于是總線(xiàn)上出現了各種設備：內存、硬盤(pán)，鼠標、鍵盤(pán)，顯示器……

對于CPU而言，如果它要發(fā)數據到某個(gè)設備，其實(shí)是發(fā)到對應的接口，接口電路里有多個(gè)寄存器(也稱(chēng)為端口)，訪(fǎng)問(wèn)設備實(shí)際上是訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)的端口，所有的信息會(huì )由接口轉給它的設備。那么CPU會(huì )準備數據到數據總線(xiàn)，但是諸多接口，該發(fā)給誰(shuí)呢?這時(shí)就須要為各接口分配一個(gè)地址，然后把地址放在地址總線(xiàn)上，需要的控制信息放到控制總線(xiàn)上，就可以和設備通信了。

對一個(gè)系統而言，通常會(huì )有多個(gè)外設，每個(gè)外設的接口電路中，又會(huì )有多個(gè)端口，每個(gè)端口都需要一個(gè)地址，為他們標識一個(gè)具體的地址值，是系統必須解決的事，與此同時(shí)，你還有個(gè)內存條，可能是512M或1G或更大的金士頓、現代DDR2之類(lèi)，他們的每一個(gè)地址也都需要分配一個(gè)標識值，另外，很多外設有自己的內存、緩沖區，就像你的內存條一樣，你同樣需要為它們分配內存……你的CPU可能需要和它們的每一個(gè)字節都打交道，所以：別指望偷懶，它們的每一寸土地都要規劃好!這聽(tīng)起來(lái)就很煩，做起來(lái)可能就直接導致腦細胞全部陣亡。但事情總是得有人去做，ARM可能會(huì )這樣做：他這次設計的CPU是32位的，最多也就能尋址2^32=4G空間，于是把這4GB空間丟給內存和端口，讓他們瓜分。但英特爾或許有更好的分配方式……

1、地址的概念

1)物理地址：CPU地址總線(xiàn)傳來(lái)的地址，由硬件電路控制其具體含義。物理地址中很大一部分是留給內存條中的內存的，但也常被映射到其他存儲器上(如顯存、BIOS等)。在程序指令中的虛擬地址經(jīng)過(guò)段映射和頁(yè)面映射后，就生成了物理地址，這個(gè)物理地址被放到CPU的地址線(xiàn)上。

物理地址空間，一部分給物理RAM(內存)用，一部分給總線(xiàn)用，這是由硬件設計來(lái)決定的，因此在32 bits地址線(xiàn)的x86處理器中，物理地址空間是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因為還有一部分要給總線(xiàn)用(總線(xiàn)上還掛著(zhù)別的許多設備)。在PC機中，一般是把低端物理地址給RAM用，高端物理地址給總線(xiàn)用。

2)總線(xiàn)地址：總線(xiàn)的地址線(xiàn)或在地址周期上產(chǎn)生的信號。外設使用的是總線(xiàn)地址，CPU使用的是物理地址。

物理地址與總線(xiàn)地址之間的關(guān)系由系統的設計決定的。在x86平臺上，物理地址就是總線(xiàn)地址，這是因為它們共享相同的地址空間——這句話(huà)有點(diǎn)難理解，詳見(jiàn)下面的“獨立編址”。在其他平臺上，可能需要轉換/映射。比如：CPU需要訪(fǎng)問(wèn)物理地址是0xfa000的單元，那么在x86平臺上，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)PCI總線(xiàn)上對0xfa000地址的訪(fǎng)問(wèn)。因為物理地址和總線(xiàn)地址相同，所以憑眼睛看是不能確定這個(gè)地址是用在哪兒的，它或者在內存中，或者是某個(gè)卡上的存儲單元，甚至可能這個(gè)地址上沒(méi)有對應的存儲器。

3)虛擬地址：現代操作系統普遍采用虛擬內存管理(Virtual Memory Management)機制，這需要MMU(Memory Management Unit)的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果處理器沒(méi)有MMU，或者有MMU但沒(méi)有啟用，CPU執行單元發(fā)出的內存地址將直接傳到芯片引腳上，被內存芯片(物理內存)接收，這稱(chēng)為物理地址(Physical Address)，如果處理器啟用了MMU，CPU執行單元發(fā)出的內存地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱(chēng)為虛擬地址(Virtual Address)，而MMU將這個(gè)地址翻譯成另一個(gè)地址發(fā)到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將虛擬地址映射成物理地址。

Linux中，進(jìn)程的4GB(虛擬)內存分為用戶(hù)空間、內核空間。用戶(hù)空間分布為0~3GB(即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于0xC0000000)，剩下的1G為內核空間。程序員只能使用虛擬地址。系統中每個(gè)進(jìn)程有各自的私有用戶(hù)空間(0～3G)，這個(gè)空間對系統中的其他進(jìn)程是不可見(jiàn)的。

CPU發(fā)出取指令請求時(shí)的地址是當前上下文的虛擬地址，MMU再從頁(yè)表中找到這個(gè)虛擬地址的物理地址，完成取指。同樣讀取數據的也是虛擬地址，比如mov ax, var. 編譯時(shí)var就是一個(gè)虛擬地址，也是通過(guò)MMU從也表中來(lái)找到物理地址，再產(chǎn)生總線(xiàn)時(shí)序，完成取數據的。

2、編址方式

1)外設都是通過(guò)讀寫(xiě)設備上的寄存器來(lái)進(jìn)行的，外設寄存器也稱(chēng)為“I/O端口”，而IO端口有兩種編址方式：獨立編址和統一編制。

統一編址：外設接口中的IO寄存器(即IO端口)與主存單元一樣看待，每個(gè)端口占用一個(gè)存儲單元的地址，將主存的一部分劃出來(lái)用作IO地址空間，如，在PDP-11中，把最高的4K主存作為IO設備寄存器地址。端口占用了存儲器的地址空間，使存儲量容量減小。

統一編址也稱(chēng)為“I/O內存”方式，外設寄存器位于“內存空間”(很多外設有自己的內存、緩沖區，外設的寄存器和內存統稱(chēng)“I/O空間”)。

如，Samsung的S3C2440，是32位ARM處理器，它的4GB地址空間被外設、RAM等瓜分：

0x8000 1000 LED 8*8點(diǎn)陣的地址

0x4800 0000 ~ 0x6000 0000 SFR(特殊暫存器)地址空間

0x3800 1002 鍵盤(pán)地址

0x3000 0000 ~ 0x3400 0000 SDRAM空間

0x2000 0020 ~ 0x2000 002e IDE

0x1900 0300 CS8900

獨立編址(單獨編址)：IO地址與存儲地址分開(kāi)獨立編址，I/O端口地址不占用存儲空間的地址范圍，這樣，在系統中就存在了另一種與存儲地址無(wú)關(guān)的IO地址，CPU也必須具有專(zhuān)用與輸入輸出操作的IO指令(IN、OUT等)和控制邏輯。獨立編址下，地址總線(xiàn)上過(guò)來(lái)一個(gè)地址，設備不知道是給IO端口的、還是給存儲器的，于是處理器通過(guò)MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號來(lái)實(shí)現對I/O端口和存儲器的不同尋址。如，intel 80x86就采用單獨編址，CPU內存和I/O是一起編址的，就是說(shuō)內存一部分的地址和I/O地址是重疊的。

獨立編址也稱(chēng)為“I/O端口”方式，外設寄存器位于“I/O(地址)空間”。

對于x86架構來(lái)說(shuō)，通過(guò)IN/OUT指令訪(fǎng)問(wèn)。PC架構一共有65536個(gè)8bit的I/O端口，組成64K個(gè)I/O地址空間，編號從0~0xFFFF，有16位，80x86用低16位地址線(xiàn)A0-A15來(lái)尋址。連續兩個(gè)8bit的端口可以組成一個(gè)16bit的端口，連續4個(gè)組成一個(gè)32bit的端口。I/O地址空間和CPU的物理地址空間是兩個(gè)不同的概念，例如I/O地址空間為64K，一個(gè)32bit的CPU物理地址空間是4G。如，在Intel 8086+Redhat9.0 下用“more /proc/ioports”可看到：