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Linux设备驱动之I/O端口与I/O内存

时间:10-10 来源:互联网 点击:

一、统一编址与独立编址

从CPU连出来一把线:数据总线、地址总线、控制总线,这把线上挂着N个接口,有相同的,有不同的,名字叫做存储器接口、中断控制接口、DMA接口、并行接口、串行接口、AD接口……一个设备要想接入,就用自己的接口和总线上的某个匹配接口对接……于是总线上出现了各种设备:内存、硬盘,鼠标、键盘,显示器……

对于CPU而言,如果它要发数据到某个设备,其实是发到对应的接口,接口电路里有多个寄存器(也称为端口),访问设备实际上是访问相关的端口,所有的信息会由接口转给它的设备。那么CPU会准备数据到数据总线,但是诸多接口,该发给谁呢?这时就须要为各接口分配一个地址,然后把地址放在地址总线上,需要的控制信息放到控制总线上,就可以和设备通信了。

对一个系统而言,通常会有多个外设,每个外设的接口电路中,又会有多个端口,每个端口都需要一个地址,为他们标识一个具体的地址值,是系统必须解决的事,与此同时,你还有个内存条,可能是512M或1G或更大的金士顿、现代DDR2之类,他们的每一个地址也都需要分配一个标识值,另外,很多外设有自己的内存、缓冲区,就像你的内存条一样,你同样需要为它们分配内存……你的CPU可能需要和它们的每一个字节都打交道,所以:别指望偷懒,它们的每一寸土地都要规划好!这听起来就很烦,做起来可能就直接导致脑细胞全部阵亡。但事情总是得有人去做,ARM可能会这样做:他这次设计的CPU是32位的,最多也就能寻址2^32=4G空间,于是把这4GB空间丢给内存和端口,让他们瓜分。但英特尔或许有更好的分配方式……

1、地址的概念

1)物理地址:CPU地址总线传来的地址,由硬件电路控制其具体含义。物理地址中很大一部分是留给内存条中的内存的,但也常被映射到其他存储器上(如显存、BIOS等)。在程序指令中的虚拟地址经过段映射和页面映射后,就生成了物理地址,这个物理地址被放到CPU的地址线上。

物理地址空间,一部分给物理RAM(内存)用,一部分给总线用,这是由硬件设计来决定的,因此在32 bits地址线的x86处理器中,物理地址空间是2的32次方,即4GB,但物理RAM一般不能上到4GB,因为还有一部分要给总线用(总线上还挂着别的许多设备)。在PC机中,一般是把低端物理地址给RAM用,高端物理地址给总线用。

2)总线地址:总线的地址线或在地址周期上产生的信号。外设使用的是总线地址,CPU使用的是物理地址。

物理地址与总线地址之间的关系由系统的设计决定的。在x86平台上,物理地址就是总线地址,这是因为它们共享相同的地址空间——这句话有点难理解,详见下面的“独立编址”。在其他平台上,可能需要转换/映射。比如:CPU需要访问物理地址是0xfa000的单元,那么在x86平台上,会产生一个PCI总线上对0xfa000地址的访问。因为物理地址和总线地址相同,所以凭眼睛看是不能确定这个地址是用在哪儿的,它或者在内存中,或者是某个卡上的存储单元,甚至可能这个地址上没有对应的存储器。

3)虚拟地址:现代操作系统普遍采用虚拟内存管理(Virtual Memory Management)机制,这需要MMU(Memory Management Unit)的支持。MMU通常是CPU的一部分,如果处理器没有MMU,或者有MMU但没有启用,CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上,被内存芯片(物理内存)接收,这称为物理地址(Physical Address),如果处理器启用了MMU,CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获,从CPU到MMU的地址称为虚拟地址(Virtual Address),而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上,也就是将虚拟地址映射成物理地址。

Linux中,进程的4GB(虚拟)内存分为用户空间、内核空间。用户空间分布为0~3GB(即PAGE_OFFSET,在0X86中它等于0xC0000000),剩下的1G为内核空间。程序员只能使用虚拟地址。系统中每个进程有各自的私有用户空间(0~3G),这个空间对系统中的其他进程是不可见的。

CPU发出取指令请求时的地址是当前上下文的虚拟地址,MMU再从页表中找到这个虚拟地址的物理地址,完成取指。同样读取数据的也是虚拟地址,比如mov ax, var. 编译时var就是一个虚拟地址,也是通过MMU从也表中来找到物理地址,再产生总线时序,完成取数据的。

2、编址方式

1)外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的,外设寄存器也称为“I/O端口”,而IO端口有两种编址方式: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

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