ARM体系结构下面内存和i/o映射区别

ARM体系结构下面内存和i/o映射区别
（1）关于IO与内存空间：
在X86处理器中存在着I/O空间的概念，I/O空间是相对于内存空间而言的，它通过特定的指令in、out来访问。端口号标识了外设的寄存器地址。Intel语法的in、out指令格式为：
IN 累加器, {端口号│DX}
OUT {端口号│DX},累加器
目前，大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等中并不提供I/O空间，而仅存在内存空间。内存空间可以直接通过地址、指针来访问，程序和程序运行中使用的变量和其他数据都存在于内存空间中。 
即便是在X86处理器中，虽然提供了I/O空间，如果由我们自己设计电路板，外设仍然可以只挂接在内存空间。此时，CPU可以像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I/O指令。因此，内存空间是必须的，而I/O空间是可选的。 
（2）inb和outb：
在Linux设备驱动中，宜使用Linux内核提供的函数来访问定位于I/O空间的端口，这些函数包括：
· 读写字节端口（8位宽）
unsigned inb(unsigned port); 
void outb(unsigned char byte, unsigned port); 
· 读写字端口（16位宽）
unsigned inw(unsigned port); 
void outw(unsigned short word, unsigned port); 
· 读写长字端口（32位宽）
unsigned inl(unsigned port); 
void outl(unsigned longword, unsigned port); 
· 读写一串字节
void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
· insb()从端口port开始读count个字节端口，并将读取结果写入addr指向的内存；outsb()将addr指向的内存的count个字节连续地写入port开始的端口。
· 读写一串字
void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
· 读写一串长字
void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
上述各函数中I/O端口号port的类型高度依赖于具体的硬件平台，因此，只是写出了unsigned。
（3）readb和writeb:
在设备的物理地址被映射到虚拟地址之后，尽管可以直接通过指针访问这些地址，但是工程师宜使用Linux内核的如下一组函数来完成设备内存映射的虚拟地址的读写，这些函数包括：
· 读I/O内存
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
与上述函数对应的较早版本的函数为（这些函数在Linux 2.6中仍然被支持）：
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);
· 写I/O内存
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);
与上述函数对应的较早版本的函数为（这些函数在Linux 2.6中仍然被支持）：
void writeb(unsigned value, address);
void writew(unsigned value, address);
void writel(unsigned value, address);
（4）把I/O端口映射到“内存空间”:
void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);
通过这个函数，可以把port开始的count个连续的I/O端口重映射为一段“内存空间”。然后就可以在其返回的地址上像访问I/O内存一样访问这些I/O端口。当不再需要这种映射时，需要调用下面的函数来撤消：
void ioport_unmap(void *addr);
实际上，分析ioport_map()的源代码可发现，所谓的映射到内存空间行为实际上是给开发人员制造的一个“假象”，并没有映射到内核虚拟地址，仅仅是为了让工程师可使用统一的I/O内存访问接口访问I/O端口。



11.2.7 I/O 空间的映射
很多硬件设备都有自己的内存，通常称之为I/O空间。例如，所有比较新的图形卡都有几MB的RAM，称为显存，用它来存放要在屏幕上显示的屏幕影像。
1．地址映射
根据设备和总线类型的不同，PC体系结构中的I/O空间可以在三个不同的物理地址范围之间进行映射：
（1）对于连接到ISA总线上的大多数设备
I/O空间通常被映射到从0xa0000到0xfffff的物理地址范围，这就在640K和1MB之间留出了一段空间，这就是所谓的“洞”。
（2）对于使用VESA本地总线（VLB）的一些老设备
这是主要由图形卡使用的一条专用总线：I/O空间被映射到从0xe00000到0xffffff的地址范围中，也就是14MB到16MB之间。因为这些设备使页表的初始化更加复杂，因此已经不生产这种设备。
（3）对于连接到PCI总线的设备
I/O空间被映射到很大的物理地址区间，位于RAM物理地址的顶端。这种设备的处理比较简单。
2．访问I/O空间
内核如何访问一个I/O空间单元？让我们从PC体系结构开始入手，这个问题很容易就可以解决，之后我们再进一步讨论其他体系结构。
不要忘了内核程序作用于虚拟地址，因此I/O空间单元必须表示成大于PAGE_OFFSET的地址。在后面的讨论中，我们假设PAGE_OFFSET等于0xc0000000，也就是说，内核虚拟地址是在第4G。
内核驱动程序必须把I/O空间单元的物理地址转换成内核空间的虚拟地址。在PC体系结构中，这可以简单地把32位的物理地址和0xc0000000常量进行或运算得到。例如，假设内核需要把物理地址为0x000b0fe4的I/O单元的值存放在t1中，把物理地址为0xfc000000的I/O单元的值存放在t2中，就可以使用下面的表达式来完成这项功能：

t1 = *((unsigned char *)(0xc00b0fe4)); 
t2 = *((unsigned char *)(0xfc000000)); 

在第六章我们已经介绍过,在初始化阶段,内核已经把可用的RAM物理地址映射到虚拟地址空间第4G的最初部分。因此，分页机制把出现在第一个语句中的虚拟地址0xc00b0fe4映射回到原来的I/O物理地址0x000b0fe4，这正好落在从640K到1MB的这段“ISA洞”中。这正是我们所期望的。
但是，对于第二个语句来说，这里有一个问题，因为其I/O物理地址超过了系统RAM的最大物理地址。因此，虚拟地址0xfc000000就不需要与物理地址0xfc000000相对应。在这种情况下，为了在内核页表中包括对这个I/O物理地址进行映射的虚拟地址，必须对页表进行修改：这可以通过调用ioremap( )函数来实现。ioremap( )和vmalloc( )函数类似，都调用get_vm_area( ) 建立一个新的vm_struct描述符，其描述的虚拟地址区间为所请求I/O空间区的大小。然后，ioremap( )函数适当地更新所有进程的对应页表项。
因此，第二个语句的正确形式应该为：

io_mem = ioremap(0xfb000000, 0x200000); 
t2 = *((unsigned char *)(io_mem + 0x100000)); 

第一条语句建立一个2MB的虚拟地址区间，从0xfb000000开始；第二条语句读取地址0xfc000000的内存单元。驱动程序以后要取消这种映射，就必须使用iounmap( )函数。

现在让我们考虑一下除PC之外的体系结构。在这种情况下，把I/O物理地址加上0xc0000000常量所得到的相应虚拟地址并不总是正确的。为了提高内核的可移植性，Linux特意包含了下面这些宏来访问I/O空间：
readb, readw, readl 
分别从一个I/O空间单元读取1、2或者4个字节
writeb, writew, writel 
分别向一个I/O空间单元写入1、2或者4个字节
memcpy_fromio, memcpy_toio 
把一个数据块从一个I/O空间单元拷贝到动态内存中，另一个函数正好相反，把一个数据块从动态内存中拷贝到一个I/O空间单元
memset_io 
用一个固定的值填充一个I/O空间区域
对于0xfc000000 I/O单元的访问推荐使用这样的方法：
io_mem = ioremap(0xfb000000, 0x200000); 
t2 = readb(io_mem + 0x100000); 
使用这些宏，就可以隐藏不同平台访问I/O空间所用方法的差异。