内存与I/O操作

来源:互联网 发布:剑网3正太捏脸数据 编辑:程序博客网 时间:2021/04/13 09:16

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我们讨论Linux设备驱动究竟怎样访问外设的I/O端口(寄存器)。


  几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的,通常包括控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类,外设的寄存器通常被连续地编址。根据CPU体系结构的不同,CPU对IO端口的编址方式有两种:

  (1)I/O映射方式(I/O-mapped)

  典型地,如X86处理器为外设专门实现了一个单独的地址空间,称为"I/O地址空间"或者"I/O端口空间",CPU通过专门的I/O指令(如X86的IN和OUT指令)来访问这一空间中的地址单元。(2)内存映射方式(Memory-mapped)

  RISC指令系统的CPU(如ARM、PowerPC等)通常只实现一个物理地址空间,外设I/O端口成为内存的一部分。此时,CPU可以象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外设I/O指令。

  但是,这两者在硬件实现上的差异对于软件来说是完全透明的,驱动程序开发人员可以将内存映射方式的I/O端口和外设内存统一看作是"I/O内存"资源。

  一般来说,在系统运行时,外设的I/O内存资源的物理地址是已知的,由硬件的设计决定。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围,驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源,而必须将它们映射到核心虚地址空间内(通过页表),然后才能根据映射所得到的核心虚地址范围,通过访内指令访问这些I/O内存资源。Linux在io.h头文件中声明了函数ioremap(),用来将I/O内存资源的物理地址映射到核心虚地址空间(3GB-4GB)中,原型如下:

void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);
  iounmap函数用于取消ioremap()所做的映射,原型如下:

void iounmap(void * addr);
  这两个函数都是实现在mm/ioremap.c文件中。

  在将I/O内存资源的物理地址映射成核心虚地址后,理论上讲我们就可以象读写RAM那样直接读写I/O内存资源了。为了保证驱动程序的跨平台的可移植性,我们应该使用Linux中特定的函数来访问I/O内存资源,而不应该通过指向核心虚地址的指针来访问。如在x86平台上,读写I/O的函数如下所示:

#define readb(addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr))
#define readw(addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr))
#define readl(addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr))

#define writeb(b,addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr) = (b))
#define writew(b,addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr) = (b))
#define writel(b,addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr) = (b))

#define memset_io(a,b,c) memset(__io_virt(a),(b),(c))
#define memcpy_fromio(a,b,c) memcpy((a),__io_virt(b),(c))
#define memcpy_toio(a,b,c) memcpy(__io_virt(a),(b),(c))
  最后,我们要特别强调驱动程序中mmap函数的实现方法。用mmap映射一个设备,意味着使用户空间的一段地址关联到设备内存上,这使得只要程序在分配的地址范围内进行读取或者写入,实际上就是对设备的访问。