IO SPACE.doc

1 I/O空间-----I/O端口和I/O内存 
　　首先上图，如下：外设中的寄存器被称为I/O端口，外设中的内存被称为I/O内存。二者合起来统称为I/O空间。

     设备驱动程序要直接访问外设或其接口卡上的物理电路，这部分通常都是以寄存器的形式出现。外设寄存器称为I/O端口，通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类。根据访问外设寄存器的不同方式，可以把 CPU分成两大类。
　　一类CPU（如M68K，Power PC，ARM，Unicore等）把这些寄存器看作内存的一部分，寄存器参与内存统一编址，访问寄存器就通过访问一般的内存指令进行，所以，这种CPU没有专门用于设备I/O的指令（可以以此判定体系为哪种）。这就是所谓的“I/O内存”方式。
　　另一类CPU（如X86）将外设的寄存器看成一个独立的地址空间，所以访问内存的指令不能用来访问这些寄存 器，而要为对外设寄存器的读／写设置专用指令，如IN和OUT指令。这就是所谓的” I/O端口”方式 。但是，用于I/O指令的“地址空间”相对来说是很小的。事实上，现在x86的I/O地址空间已经非常拥挤。
　　但是，随着计算机技术的发 展，单纯的”I/O端口"方式无法满足实际需要了，因为这种方式只能对外设中的几个寄存器进行操作。而实际上，需求在不断发生变化，例如，在PC上可以插上一 块图形卡，有2MB的存储空间(设备内存），甚至可能还带有ROM,其中装有可执行代码。自从PCI总线出现后，不管CPU的设计采用I/O端口方式还是I/O内存方式，都必须将外设卡上的存储器映射到内存空间，实际上是采用了虚存空间的手段，这样的映射是通过ioremap（）来建立的。
　　1. CPU是i386架构的情况在i386系列的处理中，内存和外部IO是独立编址，也是独立寻址的。MEM的内存空间是32位可以寻址到4G，IO空间是16位可以寻址到64K。
　　2. 在Linux内核中，访问外设上的IO Port必须通过IO Port的寻址方式。而访问IO Mem就比较罗嗦，外部MEM不能和主存一样访问，虽然大小上不相上下，可是外部MEM是没有在系统中注册的。访问外部IO MEM必须通过remap映射到内核的MEM空间后才能访问。为了达到接口的同一性，内核提供了IO Port到IO Mem的映射函数。映射后IO Port就可以看作是IO Mem，按照IO Mem的访问方式即可。
　　3. CPU是ARM 或PPC或Unicore 架构的情况：
　　在这一类的嵌入式处理器中，IO Port的寻址方式是采用内存映射，也就是IO bus就是Mem bus。系统的寻址能力如果是32位，IO Port＋Mem（包括IO Mem）可以达到4G。
　　访问这类IO Port时，我们也可以用IO Port专用寻址方式。至于在对IO Port寻址时，内核是具体如何完成的，这个在内核移植时就已经完成。在这种架构的处理器中，仍然保持对IO Port的支持，完全是i386架构遗留下来的问题，在此不多讨论。而访问IO Mem的方式和i386一致。
　　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。

2 I/O端口编址方式

　　先有个概念，I/O端口是CPU对外部设备的抽象。 对一个CPU来说，所有它所管理(或访问)的资源无非包括：
　　1.寄存器组。粗糙的划分通常包括通用寄存器组(x86中就是你用的ex,bx等寄存器)，特殊寄存器组(如标志寄存器，timer,interrupt等，当然这些设备你可以看作外部设备) 。
　　2.存储器。粗糙的划分通常包括程序存储器，数据存储器。
　　3.外部设备。比如打印机，PCI桥，USB等等。另外上面timer,interrupt等等有时也按外部设备处理。 
把这些资源统统放在一个大的集合中，就构成了CPU所管理的资源集。CPU管理这些资源时需要为这个集合中每个元素分配一个标志来区分。这个标志就是地址。 
编码地址由下面几个要素组成： 
地址 = {资源类别，资源大小}； 
　　对CPU指令来说， 通常资源类别编码在指令码中(如i独立编址)，也有编码在地址码中(如统一编址)，还有直接硬件区分(如哈佛结构的程序存储器与数据存储器分开)。比如x86的in，inp，outp指令，实际上指令码本身就编码有资源类别信息。 资源大小编码在地址码中。 
按照上面的模型，那么CPU所有资源都可以以地址：
{资源类别，资源大小} 来找到。
　　这里I/O端口就对应实际的物理设备，而I/O空间地址就是该物理设备对应的标志码及设备地址。可以这样说，I/O Space代表所有I/O设备集合，而I/O端口是该集合中的一个元素。 (当然有时直接称I/O端口就是外部设备地址) 。IO 端口和 IO Space 的关系，其实就和 “虚拟地址和地址空间” 的关系一样。 例：虚拟地址 00401000 在 虚拟地址空间：0~FFFFFFFF 中。 IO 端口是个物理地址，IO Space 是个物理地址空间。
　　深入一点来说： IO 地址空间范围：0000 ~ FFFF 共16位的空间里，分两种类型映射：固定映射和可变映射。 固定映射，比如 70/71 这些地址是固定的。 可变映射通过对芯片组控制（如南桥）将设备映射在可变地址空间。 
　　更进一步来说： IO 地址既可映射到 IO Space（独立编址），有些设备IO地址也可映射到 Memory space （统一编址）中去。同样对（北桥，南桥进行设置，象 in al,71h 这条指令地址送往 south bridge（南桥）解析，典型就是 cmos 的地址。

IO端口两种编址方式：独立编址和统一编制。
　　统一编址：外设接口中的IO寄存器（即IO端口）与主存单元一样看待，每个端口占用一个存储单元的地址，将主存的一部分划出来用作IO地址空间，如，在 PDP-11中，把最高的4K主存作为IO设备寄存器地址。端口占用了存储器的地址空间，使存储量容量减小。 统一编址也称为“I/O内存”方式，外设寄存器位于“内存空间”（很多外设有自己的内存、缓冲区，外设的寄存器和内存统称“I/O空间”）。
　　独立编址（单独编址）：IO地址与存储地址分开独立编址（I/O地址统一形成I/O Space），I/0端口地址不占用存储空间的地址范围，这样，在系统中就存在了另一种与存储地址无关的IO地 址，CPU也必须具有专用与输入输出操作的IO指令（IN、OUT等）和控制逻辑。独立编址下，地址总线上过来一个地址，设备不知道是给IO端口的、还是给存储器的，于是处理器通过MEMR/MEMW和IOR/IOW两组控制信号来实现对I/O端口和存储器的不同寻址。如，intel 80x86就采用单独编址，CPU内存和I/O是一起编址的，就是说内存一部分的地址和I/O地址是重叠的。 独立编址也称为“I/O端口”方式，外设寄存器位于“I/O（地址）空间”。 对于x86架构来说，通过IN/OUT指令访问。PC架构一共有65536个8bit的I/O端口，组成64K个I/O地址空间，编号从 0~0xFFFF，有16位，80x86用低16位地址线A0-A15来寻址。连续两个8bit的端口可以组成一个16bit的端口，连续4个组成一个 32bit的端口。I/O地址空间和CPU的物理地址空间是两个不同的概念，例如I/O地址空间为64K，一个32bit的CPU物理地址空间是4G。
如，在Intel 8086+Redhat9.0 下用“more /proc/ioports”可看到：
0000-001f : dma1
0020-003f : pic1
0040-005f : timer
0060-006f : keyboard
0070-007f : rtc
0080-008f : dma page reg
00a0-00bf : pic2
00c0-00df : dma2
00f0-00ff : fpu
0170-0177 : ide1
…… 
　　不过Intel x86平台普通使用了名为内存映射（MMIO）的技术，该技术是PCI规范的一部分，IO设备端口被映射到内存空间，映射后，CPU访问IO端口就如同访问内存一样。看Intel TA 719文档给出的x86/x64系统典型内存地址分配表：
系统资源占用
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BIOS 1M
本地APIC 4K
芯片组保留 2M IO
APIC 4K
PCI设备 256M
PCI Express设备 256M
PCI设备（可选） 256M
显示帧缓存 16M
TSEG 1M 
　　对于某一既定的系统，它要么是独立编址、要么是统一编址，具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。 如，PowerPC、m68k等采用统一编址，而X86等则采用独立编址，存在IO空间的概念。目前，大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并 不提供I/O空间，仅有内存空间，可直接用地址、指针访问。但对于Linux内核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必须都要考虑这两种方式，于是它采用一种新的方法，将基于I/O映射方式的或内存映射方式的I/O端口通称为“I/O区域”（I/O region），不论你采用哪种方式，都要先申请IO区域：request_resource()，结束时释放 它：release_resource()。

3 对I/O空间的访问
　1、访问I/O内存（I/O内存必须映射到内存空间）的流程是：
　　request_mem_region() -> ioremap() -> ioread8()/iowrite8() -> iounmap() -> release_mem_region() 。
　　前面说过，IO内存是统一编址下的概念，对于统一编址，IO地址空间是物理主存的一部分，对于编程而言，我们只能操作虚拟内存，所以，访问的第一步就是要把设备所处的物理地址映射到虚拟地址，Linux2.6下用ioremap(): void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size); ioremap()用来将IO资源的物理地址映射到内核虚地址空间（3GB - 4GB）中，参数addr是指向内核虚地址的指针。然后，我们可以直接通过指针来访问这些地址，但是也可以用Linux内核的一组函数来读写： ioread8(), iowrite16(), ioread8_rep(), iowrite8_rep()...... 
　2、访问I/O端口
　　访问IO端口有2种途径（对于独立编址系统体系）： 
　　I/O映射方式（I/O－mapped）、内存映射方式（Memory－mapped）。
　　前一种途径不映射到内存空间，直接使用 intb()/outb()之类的函数来读写IO端口；
　　后一种MMIO是先把IO端口映射到IO内存（“内存空间”），再使用访问IO内存的函数来访问 IO端口。 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IO端口映射为一段“内存空间”，然后就可以在其返回的地址是像访问IO内存一样访问这些IO端口。