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内存映射-IO空间-ioremap-iounremap

2010-05-03 22:53 351 查看

（
1
）关于
IO
与内存空间：

在
X86
处理器中存在着
I/O
空间的概念，
I/O
空间是相对于内存空间而言的，它通过特定的指令
in
、
out
来访问。端口号标识了外设的寄存器地址。
Intel
语法的
in
、
out
指令格式为：

IN
累加器
,{
端口号
│DX}

OUT{
端口号
│DX},
累加器

目前，大多数嵌入式微控制器如
ARM
、
PowerPC
等中并不提供
I/O
空间，而仅存在内存空间。内存空间可以直接通过地址、指针来访问，程序和程序运行中使用的变量和其他数据都存在于内存空间中。

即便是在
X86
处理器中，虽然提供了
I/O
空间，如果由我们自己设计电路板，外设仍然可以只挂接在内存空间。此时，
CPU
可以像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
I/O
指令。因此，内存空间是必须的，而
I/O
空间是可选的。

（
2
）
inb
和
outb
：

在
Linux
设备驱动中，宜使用
Linux
内核提供的函数来访问定位于
I/O
空间的端口，这些函数包括：

·
读写字节端口（
8
位宽）

unsignedinb(unsignedport);

voidoutb(unsignedcharbyte,unsignedport);

·
读写字端口（
16
位宽）

unsignedinw(unsignedport);

voidoutw(unsignedshortword,unsignedport);

·
读写长字端口（
32
位宽）

unsignedinl(unsignedport);

voidoutl(unsignedlongword,unsignedport);

·
读写一串字节

voidinsb(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);

voidoutsb(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);

·insb()
从端口
port
开始读
count
个字节端口，并将读取结果写入
addr
指向的内存；
outsb()
将
addr
指向的内存的
count
个字节连续地写入
port
开始的端口。

·
读写一串字

voidinsw(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);

voidoutsw(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);

·
读写一串长字

voidinsl(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);

voidoutsl(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);

上述各函数中
I/O
端口号
port
的类型高度依赖于具体的硬件平台，因此，只是写出了
unsigned
。

（
3
）
readb
和
writeb:

在设备的物理地址被映射到虚拟地址之后，尽管可以直接通过指针访问这些地址，但是工程师宜使用
Linux
内核的如下一组函数来完成设备内存映射的虚拟地址的读写，这些函数包括：

·
读
I/O
内存

unsignedintioread8(void*addr);

unsignedintioread16(void*addr);

unsignedintioread32(void*addr);

与上述函数对应的较早版本的函数为（这些函数在
Linux2.6
中仍然被支持）：

unsignedreadb(address);

unsignedreadw(address);

unsignedreadl(address);

·
写
I/O
内存

voidiowrite8(u8value,void*addr);

voidiowrite16(u16value,void*addr);

voidiowrite32(u32value,void*addr);

与上述函数对应的较早版本的函数为（这些函数在
Linux2.6
中仍然被支持）：

voidwriteb(unsignedvalue,address);

voidwritew(unsignedvalue,address);

voidwritel(unsignedvalue,address);

（
4
）把
I/O
端口映射到
“
内存空间
”:

void*ioport_map(unsignedlongport,unsignedintcount);

通过这个函数，可以把
port
开始的
count
个连续的
I/O
端口重映射为一段
“
内存空间
”
。然后就可以在其返回的地址上像访问
I/O
内存一样访问这些
I/O
端口。当不再需要这种映射时，需要调用下面的函数来撤消：

voidioport_unmap(void*addr);

实际上，分析
ioport_map()
的源代码可发现，所谓的映射到内存空间行为实际上是给开发人员制造的一个
“
假象
”
，并没有映射到内核虚拟地址，仅仅是为了让工程师可使用统一的
I/O
内存访问接口访问
I/O
端口。

11.2.7
I/O
空间的映射

很多硬件设备都有自己的内存，通常称之为
I/O
空间。例如，所有比较新的图形卡都有几
MB
的
RAM
，称为显存，用它来存放要在屏幕上显示的屏幕影像。

1
．地址映射

根据设备和总线类型的不同，
PC
体系结构中的
I/O
空间可以在三个不同的物理地址范围之间进行映射：

（
1
）对于连接到
ISA
总线上的大多数设备

I/O
空间通常被映射到从
0xa0000
到
0xfffff
的物理地址范围，这就在
640K
和
1MB
之间留出了一段空间，这就是所谓的
“
洞
”
。

（
2
）对于使用
VESA
本地总线（
VLB
）的一些老设备

这是主要由图形卡使用的一条专用总线：
I/O
空间被映射到从
0xe00000
到
0xffffff
的地址范围中，也就是
14MB
到
16MB
之间。因为这些设备使页表的初始化更加复杂，因此已经不生产这种设备。

（
3
）对于连接到
PCI
总线的设备

I/O
空间被映射到很大的物理地址区间，位于
RAM
物理地址的顶端。这种设备的处理比较简单。

2
．访问
I/O
空间

内核如何访问一个
I/O
空间单元？让我们从
PC
体系结构开始入手，这个问题很容易就可以解决，之后我们再进一步讨论其他体系结构。

不要忘了内核程序作用于虚拟地址，因此
I/O
空间单元必须表示成大于
PAGE_OFFSET
的地址。在后面的讨论中，我们假设
PAGE_OFFSET
等于
0xc0000000
，也就是说，内核虚拟地址是在第
4G
。

内核驱动程序必须把
I/O
空间单元的物理地址转换成内核空间的虚拟地址。在
PC
体系结构中，这可以简单地把
32
位的物理地址和
0xc0000000
常量进行或运算得到。例如，假设内核需要把物理地址为
0x000b0fe4
的
I/O
单元的值存放在
t1
中，把物理地址为
0xfc000000
的
I/O
单元的值存放在
t2
中，就可以使用下面的表达式来完成这项功能：

t1=*((unsignedchar*)(0xc00b0fe4));

t2=*((unsignedchar*)(0xfc000000));

在第六章我们已经介绍过
,
在初始化阶段
,
内核已经把可用的
RAM
物理地址映射到虚拟地址空间第
4G
的最初部分。因此，分页机制把出现在第一个语句中的虚拟地址
0xc00b0fe4
映射回到原来的
I/O
物理地址
0x000b0fe4
，这正好落在从
640K
到
1MB
的这段
“ISA
洞
”
中。这正是我们所期望的。

但是，对于第二个语句来说，这里有一个问题，因为其
I/O
物理地址超过了系统
RAM
的最大物理地址。因此，虚拟地址
0xfc000000
就不需要与物理地址
0xfc000000
相对应。在这种情况下，为了在内核页表中包括对这个
I/O
物理地址进行映射的虚拟地址，必须对页表进行修改：这可以通过调用
ioremap()
函数来实现。
ioremap()
和
vmalloc()
函数类似，都调用
get_vm_area()
建立一个新的
vm_struct
描述符，其描述的虚拟地址区间为所请求
I/O
空间区的大小。然后，
ioremap()
函数适当地更新所有进程的对应页表项。

因此，第二个语句的正确形式应该为：

io_mem=ioremap(0xfb000000,0x200000);

t2=*((unsignedchar*)(io_mem+0x100000));

第一条语句建立一个
2MB
的虚拟地址区间，从
0xfb000000
开始；第二条语句读取地址
0xfc000000
的内存单元。驱动程序以后要取消这种映射，就必须使用
iounmap()
函数。

现在让我们考虑一下除
PC
之外的体系结构。在这种情况下，把
I/O
物理地址加上
0xc0000000
常量所得到的相应虚拟地址并不总是正确的。为了提高内核的可移植性，
Linux
特意包含了下面这些宏来访问
I/O
空间：

readb,readw,readl

分别从一个
I/O
空间单元读取
1
、
2
或者
4
个字节

writeb,writew,writel

分别向一个
I/O
空间单元写入
1
、
2
或者
4
个字节

memcpy_fromio,memcpy_toio

把一个数据块从一个
I/O
空间单元拷贝到动态内存中，另一个函数正好相反，把一个数据块从动态内存中拷贝到一个
I/O
空间单元

memset_io

用一个固定的值填充一个
I/O
空间区域

对于
0xfc000000I/O
单元的访问推荐使用这样的方法：

io_mem=ioremap(0xfb000000,0x200000);

t2=readb(io_mem+0x100000);

使用这些宏，就可以隐藏不同平台访问
I/O
空间所用方法的差异。

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