一文读懂Linux下如何访问I/O端口和I/O内存

一、端口

端口(port)是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的。CPU通过这些地址即端口向接口电路中的寄存器发送命令，读取状态和传送数据。外设寄存器也称为“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，而且一个外设的寄存器通常被连续地编址。

二、IO内存

例如，在PC上可以插上一块图形卡，有2MB的存储空间，甚至可能还带有ROM,其中装有可执行代码。

三、IO端口和IO内存的区分及联系

这两者如何区分就涉及到硬件知识，X86体系中，具有两个地址空间：IO空间和内存空间，而RISC指令系统的CPU(如ARM、PowerPC等)通常只实现一个物理地址空间，即内存空间。

内存空间：内存地址寻址范围，32位操作系统内存空间为2的32次幂，即4G。

IO空间：X86特有的一个空间，与内存空间彼此独立的地址空间，32位X86有64K的IO空间。

IO端口：当寄存器或内存位于IO空间时，称为IO端口。一般寄存器也俗称端口,或者说I/O ports,这个I/O端口可以被映射在Memory Space,也可以被映射在I/O Space。

IO内存：当寄存器或内存位于内存空间时，称为IO内存。

四、外设IO端口物理地址的编址方式

CPU对外设IO端口物理地址的编址方式有两种：一种是I/O映射方式(I/O-mapped)，另一种是内存映射方式(Memory-mapped)。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。

1、统一编址

RISC指令系统的CPU(如，PowerPC、m68k、ARM等)通常只实现一个物理地址空间(RAM)。在这种情况下，外设I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中，而成为内存的一部分。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。

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”)。

2、独立编址

而另外一些体系结构的CPU(典型地如X86)则为外设专门实现了一个单独地地址空间，称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间，所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的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(也即I/O端口)。与RAM物理地址空间相比，I/O地址空间通常都比较小，如x86 CPU的I/O空间就只有64KB(0-0xffff)。这是“I/O映射方式”的一个主要缺点。

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”。

3、优缺点

独立编址主要优点是：

1)I/O端口地址不占用存储器空间;使用专门的I/O指令对端口进行操作，I/O指令短，执行速度快。

2)并且由于专门I/O指令与存储器访问指令有明显的区别，使程序中I/O操作和存储器操作层次清晰，程序的可读性强。

3)同时，由于使用专门的I/O指令访问端口，并且I/O端口地址和存储器地址是分开的，故I/O端口地址和存储器地址可以重叠，而不会相互混淆。

4)译码电路比较简单(因为I/0端口的地址空间一般较小，所用地址线也就较少)。

其缺点是：只能用专门的I/0指令，访问端口的方法不如访问存储器的方法多。

统一编址优点：

1)由于对I/O设备的访问是使用访问存储器的指令，所以指令类型多，功能齐全，这不仅使访问I/O端口可实现输入/输出操作，而且还可对端口内容进行算术逻辑运算，移位等等;

2)另外，能给端口有较大的编址空间，这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的。

这种方式的缺点是端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小，另外指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢。

究竟采用哪一种取决于系统的总体设计。在一个系统中也可以同时使用两种方式，前提是首先要支持I/O独立编址。Intel的x86微处理器都支持I/O 独立编址，因为它们的指令系统中都有I/O指令，并设置了可以区分I/O访问和存储器访问的控制信号引脚。而一些微处理器或单片机，为了减少引脚，从而减 少芯片占用面积，不支持I/O独立编址，只能采用存储器统一编址。

五、下访问IO端口

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()。

IO region是一种IO资源，因此它可以用resource结构类型来描述。

访问IO端口有2种途径：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。

1、I/O映射方式

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。

in、out、ins和outs汇编语言指令都可以访问I/O端口。内核中包含了以下辅助函数来简化这种访问：

inb( )、inw( )、inl( )

分别从I/O端口读取1、2或4个连续字节。后缀“b”、“w”、“l”分别代表一个字节(8位)、一个字(16位)以及一个长整型(32位)。

inb_p( )、inw_p( )、inl_p( )

分别从I/O端口读取1、2或4个连续字节，然后执行一条“哑元(dummy，即空指令)”指令使CPU暂停。

outb( )、outw( )、outl( )

分别向一个I/O端口写入1、2或4个连续字节。

outb_p( )、outw_p( )、outl_p( )

分别向一个I/O端口写入1、2或4个连续字节，然后执行一条“哑元”指令使CPU暂停。

insb( )、insw( )、insl( )

分别从I/O端口读入以1、2或4个字节为一组的连续字节序列。字节序列的长度由该函数的参数给出。

outsb( )、outsw( )、outsl( )

分别向I/O端口写入以1、2或4个字节为一组的连续字节序列。

流程如下：