Linux设备驱动之I/O端口与I/O内存

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，使存储量容量减校

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”)。

如，Samsung的S3C2440，是32位ARM处理器，它的4GB地址空间被外设、RAM等瓜分：

0x8000 1000 LED 8*8点阵的地址

0x4800 0000 ~ 0x6000 0000 SFR(特殊暂存器)地址空间

0x3800 1002 键盘地址

0x3000 0000 ~ 0x3400 0000 SDRAM空间

0x2000 0020 ~ 0x2000 002e IDE

0x1900 0300 CS8900

独立编址(单独编址)：IO地址与存储地址分开独立编址，I/O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()。

二、linux I/O端口与I/O内存

IO端口：当一个寄存器或者内存位于IO空间时;

IO内存：当一个内存或者寄存器位于内存空间时;

在一些CPU制造商在其芯片上实现了一个单地址空间(统一编址)的同时，其它的CPU制造商认为外设不同于内存，应该有一个独立的地址空间给外设(单独编址)，其生产处理器(特别是x86家族)的I/O端口有自己的读写信号线和特殊的CPU指令来存取端口。因为外设要与外设总线相匹配，并且大部分流行的I/O总线都是以个人计算机(主要是x86家族)作为模型，所以即便那些没有单独地址空间给I/O端口的处理器，也必须在访问外设时模拟成读写端口。这通常通过外部芯片组(PC中的南北桥)或者在CPU核中附加额外电路来实现(基于嵌入式应用的处理器)。

由于同样的理由，Linux在所有计算机平台上都实现了I/O端口，甚至在那些单地址空间的CPU平台上(模拟I/O端口)。但并不是所有的设备都会将其寄存器映射到I/O端口。虽然ISA设备普遍使用I/O端口，但大部分PCI设备将寄存器映射到某个内存地址区。这种I/O内存方法通常是首选的，因为它无需使用特殊的处理器指令，CPU存取内存也更有效率，并且编译器在存取内存时在寄存器分配和寻址模式的选择上