X86体系结构对并行端口的操作

来源：互联网发布：mysql多主多从编辑：程序博客网时间：2024/05/01 05:02

*前言*

本文主要是讨论不同平台下对并行端口进行编程的方法。因条件所限，目前只局限于Intel386体系下的
PC微机结构。

第一章 *简介*

并口在步进电机控制、数据采集等方面有广泛应用。本文就是讨论不同平台下，对并行端口的访问。
到目前为止，在DOS、Windows 95/98、Windows NT/2000/XP和Linux下实现了并口访问程序。

PC机上一般都至少有一个25针的并口，我们可以很容易在机箱后面找到它。当中，第18～25针是
地线，第2～9针是数据输出线，剩下的是状态线和输入线。

第二章 *实现*

在PC机上，并行端口有相应的寄存器(Registers)，这些寄存器会被映射到系统地址空间当中去。
根据当初IBM设计PC时的方法，PC上的并口基址在系统地址一般是0x378和0x278(如果有第二个并口的话)。

端口映射地址都存放在PC机的BIOS中。根据BIOS的设计，从低端40[0]H处开始，共有256(100H)Byte的空间，
用来存放PC机外部设备的地址。所以我们也可以通过工具debug来查看这些内容，在命令行下：

C:/> debug
进入debug环境，用d指令查看0x40[0]处的内容：

-d 40:00
0040:0000 F8 03 F8 02 E8 03 E8 02 BC 03 78 03 78 02 C0 9F
0040:0010 22 C8 20 80 02 85 00 20 00 00 2E 00 2E 00 64 20
0040:0020 20 39 34 4B 30 52 3A 27 30 52 30 52 0D E0 00 00
... ...

上面以16-bit(2Byte)为单位存放设备地址。偏移量0x00～0x07的，是4个串口地址(对应着COM1～COM4)。
接下来的0x08～0x0F偏移量中，是4个并口地址(对应着LPT1～LPT4)。在Intel的X86体系上，内存的存放
是Little-Endian顺序，也即小字节反而放在前面。这样，我们可以从上面的内存内容看出，LPT1的地址
是0x3BC,LPT2地址是0x378。

2.1 DOS、Win95/98下并口的访问
在DOS、Win95/98下访问并口，相对而言较简单，只需要调用下面两个函数：

#include <conio.h>

int _outp(unsigned short port, int databyte);
int _inp(unsigned short port);

其中_outp是输出，_inp是输入。比如我要对8个输出数据线都写高电平（即0xFF），则可以用:

/* 让8个输出数据线均为高电平1 */
_outp(0xFF,0x378);

要让第1、2、3数据线为高电平，则可用：

_outp(0x07,0x378);

其余类推。

2.2 Win NT/2000/XP下并口的访问

由于Windows NT/2000内核与Windows 98/95的不同，所以访问并口的方法也要作相应的调整。也
就是说，前面所讲的方法在NT内核下，已经不再实用啦！大家可以在NT下调用前面的_outp和_inp试试
看，会发现，在执行这两个函数时，程序出现“执行非法程序”的错误框，然后程序就结束了。这是因为
在Windows NT/2000下，从安全性出发，程序会被系统授予一定的特权(Privilege)和限制(Restriction)。
通常，这种特权级会分作两个：用户模式(User Mode)和核心模式(Kernel Mode)。用户模式下的运行的
程序等级是Ring 3。在核心模式下运行的程序等级是Ring 0。而在Ring 3下系统是不允许直接访问端口的。
所以前面所用调用库函数_outp等的方法在Windows NT/2000下是行不通的。

既然了解了上面的原因，我们就明白了：要在Windows NT/2000下实现对硬件端口的访问，就要通过
一定的途径获得Ring 0下的权限。这个工作可以通过Windows的DDK(Device Drive Kits)来实现。Windows
下的DDK也是一系列的API函数，只是这些函数是专门用于Windows下硬件驱动程序编写的。由于驱动程序可
以运行在Ring 0的权限下面，所以也就解决了用户程序不能进入Kernel模式下的矛盾。另一个要解决的问
题是驱动程序和用户程序之间要定义一个通信接口。这样，用户程序通过自己定义的驱动程序接口来实现
对并口的访问。我们运用的方法是先利用DDK编写一个可访问并口的驱动程序(一般是XXXX.sys模样的文件)，
之后，由一个DLL文件指定外露接口。

幸运的是，已经有人在这方面为我们做好了相应的可访问并口的驱动程序，而且提供了源代码让我们
学习。大家可以在参考文献[1]上找到源代码和使用文档说明。文档写得很清楚、详细，这里我就不多说啦。

2.3 Linux下并口的访问

由于Linux的开放性和高度的用户自定义性，要让Linux支持并口，首先要让Linux的内核支持并口。
一般我们在从光盘安装Linux时，都会把并口支持功能放进内核当中。但如果是自己升级内核、编译内核时
就要注意了：不要把并口支持功能给去掉。不然，你会发现并口死活“不肯”产生信号。要让内核支持并口
（如果大家是从光盘安装Linux的话，则不要下面的步骤，因为系统会自动加载并口支持功能的），就要在
设置系统内核时选择上 "Parallel port support "这个选项。这个选项可以在make config或make xconfig
或make gconfig或make menuconfig时找到。如果大家以上面几个命令不太了解，可以参考编译内核的文档。
这样，在编译内核时，我们就预定义了宏CONFIG_PARPORT，编译器就被通知到要把并口支持部分代码给编
进内核当中去。当然，我们也可以把并口支持功能编译成模块（Module）形式，这些模块的存放位置在
"/lib/module/内核版本号/kernel/drivers/parport "目录下，相应的文件是parport.o、parport_pc.o等。
在需要使用并口时，用命令insmod、rmmod来加载、去除并口支持功能。其中insmod是指 "Insert Module ",
rmmod是指 "Remove Module "。

在确定Linux内核支持并口功能后，我们就可以进入下面的主题了。

访问Linux下并口的函数，和前面介绍的Windows95/98下的_outp是极其类似的：outb、inb函数，当中
的参数含义也和前面讲到的_outp、_inp一样。

但需要指出的是，Linux也采用了与Windows NT/2000相似的保护措施，禁止用户进程直接对硬件端口
访问(用户空间程序不允许访问内核空间中的内容)。为了简化并口访问，Linux又提供了一个Helper Function，
这就是ioperm。这个函数可以告诉内核：给出一定的控制权与用户进程，当用户程序结束后，再把控制权给收
回来。如果我们不事先调用ioperm的话，访问并口的程序也可以编译成功，但在运行时会出错，一般会在屏幕
上出现 "Segment Failure "的出错提示。

使用到的两个函数原型如下：

#include <sys/io.h>
int ioperm(unsigned long from, unsigned long num, int turn_on);
void outb(unsigned char byte, unsigned port);

当中的ioperm是让从from开始，直到num个字节，这段范围内的I/O映射地址可以为普通用户程序访问。上
述行为是在当turn_on参数为 "真 "(非零)时允许的。当为 "假 "时，就禁止这种行为。这可以在程序完成，
不再要访问硬件端口时调用。

下面给出Linux下访问并口的示例代码：

... ...
ioperm(0x000,0x3FF,1); //把0x000～0x3FF之间空间开放给用户程序
//这段范围对访问并口而言，已经足够了。

outb(0xFF,0x378); //向并口数据位写数据。这里是将8个数据位全置为1
... ...
ioperm(0x000,0x3FF,0); //收回控制权，用户程序在这之后就不再可以
//访问内核空间内容了。

第三章 *总结*

目前为止，已经在如下平台实现了对并口的编程：
*Windows 98 SE
*Windows 2000 Professional
*Linux(RedHat 9.0 Kernel 2-4-20)
*Linux(Slackware 9.1 Kernle 2-4-22)

*参考文献*

[1] Accessing Parallel Port. http://www.logix4u.net/index.htm