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IO端口和寻址（未完）

分类: 文章 • 2024-08-20 19:50:58

参考：

http://blog.****.net/vito_bin/article/details/60779404

基本概念

MMIO(Memory mapping I/O)，即内存映射I/O，它是PCI规范的一部分，I/O设备被放置在内存空间而不是I/O空间。从处理器的角度看，内存映射I/O后系统设备访问起来和内存一样。这样访问AGP/PCI-E显卡上的帧缓存，BIOS，PCI设备就可以使用读写内存一样的汇编指令完成，简化了程序设计的难度和接口的复杂性。

I/O作为CPU和外设交流的一个渠道，主要分为两种，一种是Port I/O（也叫I/O映射方式，I/O mapped），一种是MMIO(Memory mapping I/O，即内存映射方式，memory mapped)。

Port I/O就是我们常说的I/O端口，它实际上的应该被称为I/O地址空间。

x86为外设专门实现有单独的地址空间，可以称为“I/O地址空间”或“I/O端口空间”，这个是独立与CPU和RAM物理地址空间，它将所有外设的IO端口均在这一空间进行编址。I/O地址空间通过IN/OUT指令访问，这就是“I/O映射方式”（不是MMIO访问方式）。

与物理地址空间相比，I/O地址空间大小通常较小，X86架构一共有65536（2^16）个8bit的I/O端口，组成64K I/O地址空间，编号从0~0xFFFF。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。空间小是“I/O映射方式”的一个主要缺点，可以通过cat /proc/ioports查看，IO port空间的地址分配情况是以树状结构显示。这源于X86平台的设计思想，目前基本不用了，获取这些资源接口如request_region和ioremap。

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。

MMIO占用CPU的物理地址空间，对它的访问可以使用CPU访问内存的指令进行。一个形象的比喻是把文件用mmap()后，可以像访问内存一样访问文件、同样，MMIO是用访问内存一样的方式访问I/O资源，如设备上的内存。MMIO不能被cache（有特殊情况，如VGA）。

32位操作系统，32bit的处理器，拥有32bit寻址能力，即可访问2^32=4G的物理地址，那么就具有4G内存的识别能力。

物理地址：并不是指物理内存的地址，而是指处理器和系统内存之间所用到的地址，可以理解为CPU最为方便访问的地址（有别于我们之前所知道的物理地址的定义：段地址*16+偏移地址<8086>），而这一个内存并不独属于物理内存，而被分成了很多部分，物理内存当然也能够占用其中的一部分。物理地址并不一定指向内存，它有可能指向一个芯片组的功能块，也可能指向外设，甚至什么也没有指到。

地址范围：0x0000 0000 -------->0xFFFF FFFF

我们所提到的4G物理地址和所安装的内存条没有任何关系，是相互独立的。

即使安装的是2G内存，但计算机依然会分配4G的内存空间（线性地址空间？？）。

Linux设计了一个通用的数据结构resource来描述各种I/O资源（如：I/O端口、外设内存、DMA和IRQ等）。该结构定义在include/linux/ioport.h头文件中。Linux是以一种倒置的树形结构来管理每一类I/O资源。每一类I/O资源都对应有一颗倒置的资源树，树中的每一个节点都是个resource结构。基于上述这个思想，Linux将基于I/O映射方式的I/O端口和基于内存映射方式的I/O端口资源统称为“I/O区域”（I/O Region）。

/proc/iomem这个文件记录的是物理地址的分配情况，也是以树状结构显示，对其使用也是request_mem_region和ioremap，空间大小为16EB，远大于io port的64K。

ioport和iomem地址空间分别编制，均是从地址0开始，如果硬件支持MMIO，port地址也可以映射到memory空间去。

这里以pci设备为例，硬件的拓扑结构就决定了硬件在内存映射到CPU的物理地址，由于内存访问都是虚拟地址，所有就需要ioremap，此时物理内存是存在的，所以不用再分配内存，只需要做映射即可

应用总结：使用I/O内存首先要申请,然后才能映射,使用I/O端口首先要申请,对I/O端口的请求是让内核知道你要访问该端口,内核并让你独占该端口.

申请I/O端口的函数是request_region,申请I/O内存的函数是request_mem_region。request_mem_region函数并没有做实际性的映射工作，只是告诉内核要使用一块内存地址，声明占有，也方便内核管理这些资源。重要的还是ioremap函数，ioremap主要是检查传入地址的合法性，建立页表（包括访问权限），完成物理地址到虚拟地址的转换。

在intel的X86平台，GPIO资源也是类似应用，如果IO配置为SCI或者SMI中断，SCI可以产生GPE，然后经历acpi子系统，不过GPE中断号默认是0x10+GPIO端口号。

Port I/O和MMIO主要区别

  • 前者不占用CPU的物理地址空间，后者占有（这是对x86架构说的，一些架构，如IA64，port I/O占用物理地址空间）。

  • 前者是顺序访问。也就是说在一条I/O指令完成前，下一条指令不会执行。例如通过Port I/O对设备发起了操作，造成了设备寄存器状态变化，这个变化在下一条指令执行前生效。uncache的MMIO通过uncahce memory的特性保证顺序性。

  • 使用方式不同

由于port I/O有独立的64K I/O地址空间，但CPU的地址线只有一套，所以必须区分地址属于物理地址空间还是I/O地址空间。

映射地址空间

目前，大多数的CPU都支持36bit寻址，也就是说寻址范围达到了64G，但这只是从“系统”的视角来说，从“内存控制器”的视角来说，由于32bit的寻址能力的限制，只能访问4G空间。如果需要计算机正常工作，则所有必须的设备地址都需要存在这4G的空间当中，使计算机正常工作除了内存之外，也包括许多IO设备。图中展示了4Gb地址的大致分布，除去main memory之外，大多数都只占据极少的内存，一般为几M或者几十M，除了PCI ECAM。（PCI Memory range）

IO端口和寻址（未完）

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