Linux设备驱动之I/O端口与I/O内存

有更多自由。

1.IO寄存器和常规内存

I/O寄存器和RAM的主要不同是I/O操作有边际效应(side effect)，而内存操作没有:访问内存只是在内存某一位置存储数值。因为内存存取速度严重影响CPU的性能，编译器可能会对源码进行优化，主要是：使用高速缓存和重排读/写指令的顺序。对于传统内存(至少在单处理器系统)这些优化是透明有益的，但是对于I/O 寄存器，这可能是致命错误，因为它们干扰了那些边际效应(驱动程序存取I/O 寄存器就是为了获取边际效应)。因此，驱动程序必须确保在存取寄存器时，不能使用高速缓存并且不能重新编排读写指令的顺序。

side effect 是指：访问I/O寄存器时，不仅仅会像访问普通内存一样影响存储单元的值，更重要的是它可能改变CPU的I/O端口电平、输出时序或CPU对I/O端口电平的反应等等，从而实现CPU的控制功能。CPU在电路中的意义就是实现其side effect 。举个例子，有些设备的中断状态寄存器只要一读取，便自动清零。

硬件缓冲的问题是最易解决的：只要将底层硬件配置(或者自动地或者通过Linux 初始化代码)为当存取I/O区时，禁止任何硬件缓冲(不管是I/O 内存还是I/O 端口)。

编译器优化和硬件重编排读写指令顺序的解决方法是：在硬件或处理器必须以一个特定顺序执行的操作之间安放一个内存屏障(memory barrier)。

2.操作IO端口(申请，访问，释放)：

I/O 端口是驱动用来和很多设备通讯的方法。

(1)申请I/O 端口：

在驱动还没独占设备之前，不应对端口进行操作。内核提供了一个注册接口，以允许驱动声明其需要的端口：

/* request_region告诉内核：要使用first开始的n个端口。参数name为设备名。如果分配成功返回值是非NULL;否则无法使用需要的端口(/proc/ioports包含了系统当前所有端口的分配信息，若request_region分配失败时，可以查看该文件，看谁先用了你要的端口) */struct resource *request_region(unsigned long first, unsigned long n, const char *name);

(2)访问IO端口：

在驱动成功请求到I/O 端口后，就可以读写这些端口了。大部分硬件会将8位、16位和32位端口区分开，无法像访问内存那样混淆使用。驱动程序必须调用不同的函数来访问不同大小的端口。

Linux 内核头文件(体系依赖的头文件) 定义了下列内联函数来存取I/O端口:

/* inb/outb:读/写字节端口(8位宽)。有些体系将port参数定义为unsigned long;而有些平台则将它定义为unsigned short。inb的返回类型也是依赖体系的 */unsigned inb(unsigned port);void outb(unsigned char byte, unsigned port);/* inw/outw:读/写字端口(16位宽) */unsigned inw(unsigned port);void outw(unsigned short word, unsigned port);/* inl/outl:读/写32位端口。longword也是依赖体系的，有的体系为unsigned long;而有的为unsigned int */unsigned inl(unsigned port);void outl(unsigned longword, unsigned port);

(3)释放IO端口：

/* 用完I/O端口后(可能在模块卸载时)，应当调用release_region将I/O端口返还给系统。参数start和n应与之前传递给request_region一致 */void release_region(unsigned long start, unsigned long n);

3.操作IO内存(申请，映射，访问，释放)：

尽管 I/O 端口在x86世界中非常流行，但是用来和设备通讯的主要机制是通过内存映射的寄存器和设备内存，两者都称为I/O 内存，因为寄存器和内存之间的区别对软件是透明的。

I/O 内存仅仅是一个类似于RAM 的区域，处理器通过总线访问该区域，以实现对设备的访问。同样，读写这个区域是有边际效应。

根据计算机体系和总线不同，I/O 内存可分为可以或者不可以通过页表来存取。若通过页表存取，内核必须先重新编排物理地址，使其对驱动程序可见，这就意味着在进行任何I/O操作之前，你必须调用ioremap;如果不需要页表，I/O内存区域就类似于I/O端口，你可以直接使用适当的I/O函数读写它们。

由于边际效应的缘故，不管是否需要 ioremap，都不鼓励直接使用I/O内存指针，而应使用专门的I/O内存操作函数。这些I/O内存操作函数不仅在所有平台上是安全，而且对直接使用指针操作 I/O 内存的情况进行了优化。

(1)申请I/O 内存：

I/O 内存区在使用前必须先分配。分配内存区的函数接口在定义中：

/* request_mem_region分配一个开始于start,len字节的I/O内存区。分配成功，返回一个非NULL指针;否则返回NULL。系统当前所有I/O内存分配信息都在/proc/iomem文件中列出，你分配失败时，可以看看该文件，看谁先占用了该内存区 */struct resource *