[ARM笔记]设备IO端口和IO内存的访问

设备通常会提供一组寄存器来用于控制设备、读写设备和获取设备状态，即控制寄存器、数据寄存器和状态寄存器。这些寄存器可能位于IO空间，也可能位于内存空间。当位于IO空间时，通常被称为IO端口，位于内存空间时，对应的内存空间成为IO内存。

1. Linux IO端口和IO内存访问接口
1.1 IO端口
在Linux设备驱动中，应使用Linux内核提供的函数来访问定位于IO空间的端口，这些函数包括如下几种：
（1）读写字节端口（8位宽）
unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsigned char byte , unsigned port);

（2）读写字端口（16位宽）
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsigned char byte , unsigned port);

（3）读写长字端口（32位宽）
unsigned inl(unsigned port);
void outl(unsigned char byte , unsigned port);

（4）读写一串字
void insw(unsigned port , void *addr , unsigned long count);
void outsw(unsigned port , void *addr , unsigned long count);

（5）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IO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。

1.2 IO内存
在内核中访问IO内存之前，需首先使用ioremap()函数将设备所处的物理地址映射到虚拟地址。ioremap的原型如下：
void *ioremap(unsigned long offset , unsigned long size);
ioremap()与vmalloc()类似，也需要建立新的页表，但是它并不进行vmalloc()中所执行的内存分配行为。ioremap()返回一个特殊的虚拟地址，该地址可用来存取特定的物理地址范围。通过ioremap()获得的虚拟地址应该被iounmap()函数释放，其原型为：
void iounmap(void *addr);
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，但是可以使用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，这些函数如下所示。
（1）读IO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Linux2.6中仍然被支持）：
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);

（2）写IO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Linux2.6中仍然被支持）：
unsigned writeb(address);
unsigned writew(address);
unsigned writel(address);

（3）读一串IO内存
void ioread8_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);
void ioread16_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);
void ioread32_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);

（4）写一串IO内存
void iowrite8_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);
void iowrite16_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);
void iowrite32_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);

（5）复制IO内存
void memcpy_fromio(void *dest , void *source , unsigned int count);
void memcpy_toio(void *dest , void *source , unsigned int count);

（6）设置IO内存
void memset_io(void *addr , u8 value , unsigned int count);

1.3 把IO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IO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IO内存一样访问这些IO端口。当不再需要这种映射时，需要调用下面的函数来撤销。
void ioport_unmap(void *addr);
实际上，分析ioport_map()的源代码可发现，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IO内存访问接口访问IO端口。

2. 申请与释放设备IO端口和IO内存
2.1 IO端口申请
Linux内核提供了一组函数用于申请和释放IO端口。
struct resource *request_region(resource_size_t start, resource_size_t n, const char *name);
这个函数向内核申请了n个端口，这些端口从first开始，name参数为设备的名称。如果分配成功返回非NULL，失败，则返回NULL。
当用request_region()申请的IO端口使用完成后，应当使用release_region()函数将它们还给系统，这个函数的原型如下：
void release_region(resource_size_t start , resource_size_t n);

2.2 IO内存申请
Linux内核提供了一组函数用于申请和释放IO内存的范围。
struct resource *request_mem_region(resource_size_t start, resource_size_t n, const char *name, const char *name);
这个函数向内核申请n个内存地址，这些地址从first开始，name参数为设备的名称。如果分配成功返回值是非NULL，如果失败，返回NULL。
当用request_mem_region()申请的IO内存使用完成后，应当使用release_region()函数将它们还给系统，这个函数的原型如下：
void release_region(resource_size_t start , resource_size_t n);
上述request_region()和release_mem_region()都不是必须的，但建议使用。其任务是检查申请的资源是否可用，如果可用则申请成功，并标志为已经使用，其他驱动想再次申请该资源就会失败。
查看内核源码可知，request_region()和request_mem_region()调用的函数是一样的，只是传入参数的不同。
#define request_region(start,n,name) __request_region(&ioport_resource, (start), (n), (name))
#define request_mem_region(start,n,name) __request_region(&iomem_resource, (start), (n), (name))

3. 设备IO端口和IO内存访问流程
IO端口访问的一种途径是直接使用IO端口操作函数：在设备打开或驱动模块被加载时申请IO端口区域，之后使用inb()、outb()等进行端口访问，最后，在设备关闭或驱动被卸载时释放IO端口范围。
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| request_region() | 在设备驱动模块加载或open()函数中进行
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| inb()、outb()等 | 在设备驱动初始化、write()、read()、iotcl()等函数中进行
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| release_region()等 | 在设备驱动模块卸载或release()函数中进行
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IO端口的访问流程（不映射到内存空间）

IO端口访问的另一种途径是将IO端口映射为内存进行访问：在设备打开或驱动模块被加载时，申请IO端口区域并使用ioport_map()映射到内存，之后使用IO内存的函数进行端口访问，最后，在设备关闭或驱动被卸载时释放IO端口并释放映射。整个流程如下图所示：
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| |
| request_region()等 |
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| 在设备驱动模块加载或open()函数中进行
___________________________ /
| | /
| ioport_map()等 |
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| |
| ioread8、ioread16、 | 在设备驱动初始化、write()、read()、ioctl等函数中调用
| ioread32、iowrite8等|
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| |
| ioport_unmap()|
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___________________________ /在设备驱动卸载或release()函数中调用
| | /
| release_region()| /
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IO端口的访问流程（映射到内存空间）

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| request_mem_region()等|
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| 在设备驱动模块加载或open()函数中进行
__________________________________ /
| | /
| ioremap()等 |/
|__________________________________|
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| ioread8、ioread16、 | 在设备驱动初始化、write()、read()、ioctl等函数中调用
| ioread32、iowrite8等 |
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| iounmap() |
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______________________________ /在设备驱动卸载或release()函数中调用
| | /
| release_mem_region() | /
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