iomem—I/O映射方式的I/O端口和内存映射方式的I/O端口
Linux將基于I/O映射方式的I/O端口和基于內存映射方式的I/O端口資源統稱為“I/O區域”（I/O Region）。I/O Region仍然是一種I/O資源，因此它仍然可以用resource結構類型來描述。下面我們就來看看Linux是如何管理I/O Region的。
3．3．1 I/O Region的分配
在函數__request_resource()的基礎上，Linux實現了用于分配I/O區域的函數__request_region()，如下:
?
?1?struct?resource?*?__request_region(struct?resource?*parent,?2? unsigned?long?start,?unsigned?long?n,?const?char?*name)
?3? {
?4? struct?resource?*res?=?kmalloc(sizeof(*res),?GFP_KERNEL);
?5?
?6? if?(res)?{
?7? memset(res,?0,?sizeof(*res));
?8? res->name?=?name;
?9? res->start?=?start;
10? res->end?=?start?+?n?-?1;
11? res->flags?=?IORESOURCE_BUSY;
12?
13? write_lock(&resource_lock);
14?
15? for?(;;)?{
16? struct?resource?*conflict;
17?
18? conflict?=?__request_resource(parent,?res);
19? if?(!conflict)
20? break;?
21?
22? if?(conflict?!=?parent)?{
23? parent?=?conflict;
24? if?(!(conflict->flags?&?IORESOURCE_BUSY))
25? continue;
26? }
27?
28? /*?Uhhuh,?that?didn't?work?out..?*/
29? kfree(res);
30? res?=?NULL;
31? break;
32? }
33? write_unlock(&resource_lock);
34? }
35? return?res;
36? }
37?
NOTE：
①首先，調用kmalloc（）函數在SLAB分配器緩存中分配一個resource結構。
②然后，相應的根據參數來填充resource結構。注意！flags成員被初始化為IORESOURCE_BUSY。
③接下來，用一個for循環開始進行資源分配，循環體的步驟如下：
l 首先，調用__request_resource()函數進行資源分配。如果返回NULL，說明分配成功，因此就執行break語句推出for循環，返回所分配的resource結構的指針，函數成功地結束。
l 如果__request_resource()函數分配不成功，則進一步判斷所返回的沖突資源節點是否就是父資源節點parent。如果不是，則將分配行為下降一個層次，即試圖在當前沖突的資源節點中進行分配（只有在沖突的資源節點沒有設置IORESOURCE_BUSY的情況下才可以），于是讓 parent指針等于conflict，并在conflict->flags&IORESOURCE_BUSY為0的情況下執行 continue語句繼續for循環。
l 否則如果相沖突的資源節點就是父節點parent，或者相沖突資源節點設置了IORESOURCE_BUSY標志位，則宣告分配失敗。于是調用kfree （）函數釋放所分配的resource結構，并將res指針置為NULL，最后用break語句推出for循環。
④最后，返回所分配的resource結構的指針。
3．3．2 I/O Region的釋放
函數__release_region()實現在一個父資源節點parent中釋放給定范圍的I/O Region。實際上該函數的實現思想與__release_resource()相類似。其源代碼如下：
?2? unsigned?long?start,?unsigned?long?n)
?3? {
?4? struct?resource?**p;
?5? unsigned?long?end;
?6?
?7? p?=?&parent->child;
?8? end?=?start?+?n?-?1;
?9?
10? for?(;;)?{
11? struct?resource?*res?=?*p;
12?
13? if?(!res)
14? break;
15? if?(res->start?<=?start?&&?res->end?>=?end)?{
16? if?(!(res->flags?&?IORESOURCE_BUSY))?{
17? p?=?&res->child;
18? continue;
19? }
20? if?(res->start?!=?start'?'res->end?!=?end)
21? break;
22? *p?=?res->sibling;
23? kfree(res);
24? return;
25? }
26? p?=?&res->sibling;
27? }
28? printk(Trying?to?free?nonexistent?resource?<%08lx-%08lx>
29? ,?start,?end);
30? }
31?
類似地，該函數也是通過一個for循環來遍歷父資源parent的child鏈表。為此，它讓指針res指向當前正被掃描的子資源節點，指針p指向前一個子資源節點的sibling成員變量，p的初始值為指向parent->child。For循環體的步驟如下：
①讓res指針指向當前被掃描的子資源節點（res＝*p）。
②如果res指針為NULL，說明已經掃描完整個child鏈表，所以退出for循環。
③如果res指針不為NULL，則繼續看看所指定的I/O區域范圍是否完全包含在當前資源節點中，也即看看[start,start+n-1]是否包含在res->[start,end]中。如果不屬于，則讓p指向當前資源節點的sibling成員，然后繼續for循環。如果屬于，則執行下列步驟：
l 先看看當前資源節點是否設置了IORESOURCE_BUSY標志位。如果沒有設置該標志位，則說明該資源節點下面可能還會有子節點，因此將掃描過程下降一個層次，于是修改p指針，使它指向res->child，然后執行continue語句繼續for循環。
l 如果設置了IORESOURCE_BUSY標志位。則一定要確保當前資源節點就是所指定的I/O區域，然后將當前資源節點從其父資源的child鏈表中去除。這可以通過讓前一個兄弟資源節點的sibling指針指向當前資源節點的下一個兄弟資源節點來實現（即讓*p=res->sibling），最后調用kfree（）函數釋放當前資源節點的resource結構。然后函數就可以成功返回了。
3．3．3 檢查指定的I/O Region是否已被占用
函數__check_region()檢查指定的I/O Region是否已被占用。其源代碼如下：
?2? {
?3? struct?resource?*?res;
?4?
?5? res?=?__request_region(parent,?start,?n,?check-region);
?6? if?(!res)
?7? return?-EBUSY;
?8?
?9? release_resource(res);
10? kfree(res);
11? return?0;
12? }
13?
該函數的實現與__check_resource()的實現思想類似。首先，它通過調用__request_region()函數試圖在父資源 parent中分配指定的I/O Region。如果分配不成功，將返回NULL，因此此時函數返回錯誤值－EBUSY表示所指定的I/O Region已被占用。如果res指針不為空則說明所指定的I/O Region沒有被占用。于是調用__release_resource()函數將剛剛分配的資源釋放掉（實際上是將res結構從parent的 child鏈表去除），然后調用kfree（）函數釋放res結構所占用的內存。最后，返回0值表示指定的I/O Region沒有被占用。 中國網管論壇bbs.bitsCN.com
3．4 管理I/O端口資源
我們都知道，采用I/O映射方式的X86處理器為外設實現了一個單獨的地址空間，也即“I/O空間”（I/O Space）或稱為“I/O端口空間”，其大小是64KB（0x0000－0xffff）。Linux在其所支持的所有平臺上都實現了“I/O端口空間” 這一概念。
由于I/O空間非常小，因此即使外設總線有一個單獨的I/O端口空間，卻也不是所有的外設都將其I/O端口（指寄存器）映射到“I/O端口空間”中。比如，大多數PCI卡都通過內存映射方式來將其I/O端口或外設內存映射到CPU的RAM物理地址空間中。而老式的 ISA卡通常將其I/O端口映射到I/O端口空間中。
Linux是基于“I/O Region”這一概念來實現對I/O端口資源（I/O－mapped 或 Memory－mapped）的管理的。
3．4．1 資源根節點的定義
Linux在kernel/Resource.c文件中定義了全局變量ioport_resource和iomem_resource，來分別描述基于I/O映射方式的整個I/O端口空間和基于內存映射方式的I/O內存資源空間（包括I/O端口和外設內存）。其定義如下：
2? {?PCI?IO,?0x0000,?IO_SPACE_LIMIT,?IORESOURCE_IO?};
3? struct?resource?iomem_resource?=
4? {?PCI?mem,?0x00000000,?0xffffffff,?IORESOURCE_MEM?};
其中，宏IO_SPACE_LIMIT表示整個I/O空間的大小，對于X86平臺而言，它是0xffff（定義在include/asm-i386/io.h頭文件中）。顯然，I/O內存空間的大小是4GB。
3．4．2 對I/O端口空間的操作
基于I/O Region的操作函數__XXX_region()，Linux在頭文件include/linux/ioport.h中定義了三個對I/O端口空間進行操作的宏：①request_region()宏，請求在I/O端口空間中分配指定范圍的I/O端口資源。②check_region()宏，檢查 I/O端口空間中的指定I/O端口資源是否已被占用。③release_region()宏，釋放I/O端口空間中的指定I/O端口資源。這三個宏的定義如下：
2? __request_region(&ioport_resource,?(start),?(n),?(name))
3? #define?check_region(start,n)
4? __check_region(&ioport_resource,?(start),?(n))
5? #define?release_region(start,n)
6? __release_region(&ioport_resource,?(start),?(n))
7?
其中，宏參數start指定I/O端口資源的起始物理地址（是I/O端口空間中的物理地址），宏參數n指定I/O端口資源的大小。
3．4．3 對I/O內存資源的操作
基于I/O Region的操作函數__XXX_region()，Linux在頭文件include/linux/ioport.h中定義了三個對I/O內存資源進行操作的宏：①request_mem_region()宏，請求分配指定的I/O內存資源。②check_ mem_region()宏，檢查指定的I/O內存資源是否已被占用。③release_ mem_region()宏，釋放指定的I/O內存資源。這三個宏的定義如下：
2? __request_region(&iomem_resource,?(start),?(n),?(name))
3? #define?check_mem_region(start,n)
4? __check_region(&iomem_resource,?(start),?(n))
5? #define?release_mem_region(start,n)
6? __release_region(&iomem_resource,?(start),?(n))
7?
其中，參數start是I/O內存資源的起始物理地址（是CPU的RAM物理地址空間中的物理地址），參數n指定I/O內存資源的大小。
3．4．4 對/proc/ioports和/proc/iomem的支持
Linux在ioport.h頭文件中定義了兩個宏：
get_ioport_list()和get_iomem_list()，分別用來實現/proc/ioports文件和/proc/iomem文件。其定義如下：
2? #define?get_mem_list(buf)?get_resource_list(&iomem_resource,?buf,?PAGE_SIZE)
3?
3．5 訪問I/O端口空間
在驅動程序請求了I/O端口空間中的端口資源后，它就可以通過CPU的IO指定來讀寫這些I/O端口了。在讀寫I/O端口時要注意的一點就是，大多數平臺都區分8位、16位和32位的端口，也即要注意I/O端口的寬度。
Linux在include/asm/io.h頭文件（對于i386平臺就是include/asm-i386/io.h）中定義了一系列讀寫不同寬度I/O端口的宏函數。如下所示：
⑴讀寫8位寬的I/O端口
2? void?outb（unsigned?char?value，unsigned?port）；
3?
其中，port參數指定I/O端口空間中的端口地址。在大多數平臺上（如x86）它都是unsigned short類型的，其它的一些平臺上則是unsigned int類型的。顯然，端口地址的類型是由I/O端口空間的大小來決定的。 網管朋友網www_bitscn_net
⑵讀寫16位寬的I/O端口
2? void?outw（unsigned?short?value，unsigned?port）；
3?
⑶讀寫32位寬的I/O端口
2? void?outl（unsigned?int?value，unsigned?port）；
3．5．1 對I/O端口的字符串操作
除了上述這些“單發”（single－shot）的I/O操作外，某些CPU也支持對某個I/O端口進行連續的讀寫操作，也即對單個I/O端口讀或寫一系列字節、字或32位整數，這就是所謂的“字符串I/O指令”（String Instruction）。這種指令在速度上顯然要比用循環來實現同樣的功能要快得多。
Linux同樣在io.h文件中定義了字符串I/O讀寫函數：
⑴8位寬的字符串I/O操作
2? void?outsb（unsigned?port?，void?*?addr，unsigned?long?count）；
3?
⑵16位寬的字符串I/O操作
2? void?outsw（unsigned?port?，void?*?addr，unsigned?long?count）；
3?
⑶32位寬的字符串I/O操作
2? void?outsl（unsigned?port?，void?*?addr，unsigned?long?count）；
3．5．2 Pausing I/O
在一些平臺上（典型地如X86），對于老式總線（如ISA）上的慢速外設來說，如果CPU讀寫其I/O端口的速度太快，那就可能會發生丟失數據的現象。對于這個問題的解決方法就是在兩次連續的I/O操作之間插入一段微小的時延，以便等待慢速外設。這就是所謂的“Pausing I/O”。
對于Pausing I/O，Linux也在io.h頭文件中定義了它的I/O讀寫函數，而且都以XXX_p命名，比如：inb_p()、outb_p()等等。下面我們就以out_p()為例進行分析。
將io.h中的宏定義__OUT(b,”b”char)展開后可得如下定義：
?2? __asm__?__volatile__?(outb?%?b?0,%?w?1
?3? :?:?a?(value),?Nd?(port));
?4? }
?5?
?6? extern?inline?void?outb_p(unsigned?char?value,?unsigned?short?port)?{
?7? __asm__?__volatile__?(outb?%?b?0,%?w?1
?8? __FULL_SLOW_DOWN_IO
?9? :?:?a?(value),?Nd?(port));
10? }
11?
可以看出，outb_p()函數的實現中被插入了宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO，以實現微小的延時。宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO在頭文件io.h中一開始就被定義：
?
?1? #ifdef?SLOW_IO_BY_JUMPING?2? #define?__SLOW_DOWN_IO
?3? jmp?1f
?4? 1:?jmp?1f
?5? 1:
?6? #else
?7? #define?__SLOW_DOWN_IO
?8? outb?%%al,$0x80
?9? #endif
10?
11? #ifdef?REALLY_SLOW_IO
12? #define?__FULL_SLOW_DOWN_IO?__SLOW_DOWN_IO
13? __SLOW_DOWN_IO?__SLOW_DOWN_IO?__SLOW_DOWN_IO
14? #else
15? #define?__FULL_SLOW_DOWN_IO?__SLOW_DOWN_IO
16? #endif
17?
顯然，__FULL_SLOW_DOWN_IO就是一個或四個__SLOW_DOWN_IO（根據是否定義了宏REALLY_SLOW_IO來決定），而宏__SLOW_DOWN_IO則被定義成毫無意義的跳轉語句或寫端口0x80的操作（根據是否定義了宏SLOW_IO_BY_JUMPING來決定）。 網管朋友網www_bitscn_net
3．6 訪問I/O內存資源
盡管I/O端口空間曾一度在x86平臺上被廣泛使用，但是由于它非常小，因此大多數現代總線的設備都以內存映射方式（Memory－mapped）來映射它的I/O端口（指I/O寄存器）和外設內存。基于內存映射方式的I/O端口（指I/O寄存器）和外設內存可以通稱為“I/O內存”資源（I/O Memory）。因為這兩者在硬件實現上的差異對于軟件來說是完全透明的，所以驅動程序開發人員可以將內存映射方式的I/O端口和外設內存統一看作是 “I/O內存”資源。
從前幾節的闡述我們知道，I/O內存資源是在CPU的單一內存物理地址空間內進行編址的，也即它和系統RAM同處在一個物理地址空間內。因此通過CPU的訪內指令就可以訪問I/O內存資源。
一般來說，在系統運行時，外設的I/O內存資源的物理地址是已知的，這可以通過系統固件（如BIOS）在啟動時分配得到，或者通過設備的硬連線（hardwired）得到。比如，PCI卡的I/O內存資源的物理地址就是在系統啟動時由PCI BIOS分配并寫到PCI卡的配置空間中的BAR中的。而ISA卡的I/O內存資源的物理地址則是通過設備硬連線映射到640KB－1MB范圍之內的。但是CPU通常并沒有為這些已知的外設I/O內存資源的物理地址預定義虛擬地址范圍，因為它們是在系統啟動后才已知的（某種意義上講是動態的），所以驅動程序并不能直接通過物理地址訪問I/O內存資源，而必須將它們映射到核心虛地址空間內（通過頁表），然后才能根據映射所得到的核心虛地址范圍，通過訪內指令訪問這些I/O內存資源。
3．6．1 映射I/O內存資源
Linux在io.h頭文件中聲明了函數ioremap（），用來將I/O內存資源的物理地址映射到核心虛地址空間（3GB－4GB）中，如下：
void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);
void iounmap(void * addr);
函數用于取消ioremap（）所做的映射，參數addr是指向核心虛地址的指針。這兩個函數都是實現在mm/ioremap.c文件中。具體實現可參考《情景分析》一書。
3．6．2 讀寫I/O內存資源
在將I/O內存資源的物理地址映射成核心虛地址后，理論上講我們就可以象讀寫RAM那樣直接讀寫I/O內存資源了。但是，由于在某些平臺上，對 I/O內存和系統內存有不同的訪問處理，因此為了確保跨平臺的兼容性，Linux實現了一系列讀寫I/O內存資源的函數，這些函數在不同的平臺上有不同的實現。但在x86平臺上，讀寫I/O內存與讀寫RAM無任何差別。如下所示（include/asm-i386/io.h）：
?2? #define?readw(addr)?(*(volatile?unsigned?short?*)?__io_virt(addr))?
?3?
?4?
?5? #define?readl(addr)?(*(volatile?unsigned?int?*)?__io_virt(addr))
?6?
?7? #define?writeb(b,addr)?(*(volatile?unsigned?char?*)?__io_virt(addr)?=?(b))
?8? #define?writew(b,addr)?(*(volatile?unsigned?short?*)?__io_virt(addr)?=?(b))
?9? #define?writel(b,addr)?(*(volatile?unsigned?int?*)?__io_virt(addr)?=?(b))
10?
11? #define?memset_io(a,b,c)?memset(__io_virt(a),(b),(c))
12? #define?memcpy_fromio(a,b,c)?memcpy((a),__io_virt(b),(c))
13? #define?memcpy_toio(a,b,c)?memcpy(__io_virt(a),(b),(c))
14?
上述定義中的宏__io_virt()僅僅檢查虛地址addr是否是核心空間中的虛地址。該宏在內核2.4.0中的實現是臨時性的。具體的實現函數在arch/i386/lib/Iodebug.c文件。
顯然，在x86平臺上訪問I/O內存資源與訪問系統主存RAM是無差別的。但是為了保證驅動程序的跨平臺的可移植性，我們應該使用上面的函數來訪問I/O內存資源，而不應該通過指向核心虛地址的指針來訪問。
轉載于:https://www.cnblogs.com/b2tang/archive/2009/07/07/1518175.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的iomem—I/O映射方式的I/O端口和内存映射方式的I/O端口的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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