Linux对I/O端口资源的管理（4）

3．4 管理I/O端口资源

　　我们都知道，采用I/O映射方式的X86处理器为外设实现了一个单独的地址空间，也即“I/O空间”（I/O
Space）或称为“I/O端口空间”，其大小是64KB（0x0000－0xffff）。linux在其所支持的所有平台上都实现了“I/O端口空间”这一概念。

　　由于I/O空间非常小，因此即使外设总线有一个单独的I/O端口空间，却也不是所有的外设都将其I/O端口（指寄存器）映射到“I/O端口空间”中。
比如，大多数PCI卡都通过内存映射方式来将其I/O端口或外设内存映射到CPU的RAM物理地址空间中。而老式的ISA卡通常将其I/O端口映射到I
/O端口空间中。

　　linux是基于“I/O
Region”这一概念来实现对I/O端口资源（I/O－mapped 或
Memory－mapped）的管理的。

　　3．4．1 资源根节点的定义

　　linux在kernel/Resource.c文件中定义了全局变量ioport_resource和iomem_resource，来分别描述基
于I/O映射方式的整个I/O端口空间和基于内存映射方式的I/O内存资源空间（包括I/O端口和外设内存）。其定义如下：

struct resource ioport_resource =

　　　　{ "PCI IO", 0x0000, IO_SPACE_LIMIT, IORESOURCE_IO };

struct resource iomem_resource =

　　　　{ "PCI mem", 0x00000000, 0xffffffff, IORESOURCE_MEM
};

这里在2.6.32内核中有变化， iomem_resource的end由0xffffffff改为了-1；更加合理了。可以参照这个网址http://www.spinics.net/lists/linux-pci/msg09857.html （The iomem_resource map reflects the available physical address space.We statically initialize the end to -1, i.e., 0xffffffff_ffffffff, but of course we can only use as much as the CPU can address.）

　　其中，宏IO_SPACE_LIMIT表示整个I/O空间的大小，对于X86平台而言，它是0xffff（定义在include/asm-i386/io.h头文件中）。这里我多写一句，对于arm平台而言，以s3c2410为例，IO_SPACE_LIMIT是0xffffffff， 因为对于arm平台来说，它采用的是内存映射方式。
显然，I/O内存空间的大小是4GB。

　　3．4．2 对I/O端口空间的操作

　　基于I/O
Region的操作函数__XXX_region()，linux在头文件include/linux/ioport.h中定义了三个对I/O端口空间进
行操作的宏：①request_region()宏，请求在I/O端口空间中分配指定范围的I/O端口资源。②check_region()宏，检查I
/O端口空间中的指定I/O端口资源是否已被占用。③release_region()宏，释放I/O端口空间中的指定I/O端口资源。这三个宏的定义如
下：

#define request_region(start,n,name)

__request_region(&ioport_resource, (start), (n), (name))

#define check_region(start,n)

__check_region(&ioport_resource, (start), (n))

#define release_region(start,n)

__release_region(&ioport_resource, (start), (n))

　　其中，宏参数start指定I/O端口资源的起始物理地址（是I/O端口空间中的物理地址），宏参数n指定I/O端口资源的大小。

　　3．4．3 对I/O内存资源的操作

　　基于I/O
Region的操作函数__XXX_region()，linux在头文件include/linux/ioport.h中定义了三个对I/O内存资源进行操作的宏：①request_mem_region()宏，请求分配指定的I/O内存资源。②check_
mem_region()宏，检查指定的I/O内存资源是否已被占用。③release_
mem_region()宏，释放指定的I/O内存资源。这三个宏的定义如下：

#define request_mem_region(start,n,name)

　　__request_region(&iomem_resource, (start), (n),
(name))

#define check_mem_region(start,n)

__check_region(&iomem_resource, (start), (n))

#define release_mem_region(start,n)

__release_region(&iomem_resource, (start), (n))

　　其中，参数start是I/O内存资源的起始物理地址（是CPU的RAM物理地址空间中的物理地址），参数n指定I/O内存资源的大小。

　　3．4．4 对/proc/ioports和/proc/iomem的支持

　　linux在ioport.h头文件中定义了两个宏：

　　get_ioport_list()和get_iomem_list()，分别用来实现/proc/ioports文件和/proc/iomem文件。其定义如下：

#define get_ioport_list(buf)
get_resource_list(&ioport_resource, buf, PAGE_SIZE)

#define get_mem_list(buf) get_resource_list(&iomem_resource,
buf, PAGE_SIZE)

2.6.32移除了这两个函数，具体怎么实现对/proc/ioports和/proc/iomem的支持我还不知道，请高手指教阿

3．5 访问I/O端口空间

　　在驱动程序请求了I/O端口空间中的端口资源后，它就可以通过CPU的IO指定来读写这些I/O端口了。在读写I/O端口时要注意的一点就是，大多数平台都区分8位、16位和32位的端口，也即要注意I/O端口的宽度。

　　linux在include/asm/io.h头文件（对于i386平台就是include/asm-i386/io.h）中定义了一系列读写不同宽度I/O端口的宏函数。如下所示：

　　⑴读写8位宽的I/O端口

　　unsigned char inb（unsigned port）；

　　void outb（unsigned char value，unsigned port）；

　　其中，port参数指定I/O端口空间中的端口地址。在大多数平台上（如x86）它都是unsigned
short类型的，其它的一些平台上则是unsigned
int类型的。显然，端口地址的类型是由I/O端口空间的大小来决定的。

　　⑵读写16位宽的I/O端口

　　unsigned short inw（unsigned port）；

　　void outw（unsigned short value，unsigned port）；

　　⑶读写32位宽的I/O端口

　　unsigned int inl（unsigned port）；

　　void outl（unsigned int value，unsigned port）；

　　3．5．1 对I/O端口的字符串操作

　　除了上述这些“单发”（single－shot）的I/O操作外，某些CPU也支持对某个I/O端口进行连续的读写操作，也即对单个I/O端口读或写一系列字节、字或32位整数，这就是所谓的“字符串I/O指令”（String
Instruction）。这种指令在速度上显然要比用循环来实现同样的功能要快得多。

　　linux同样在io.h文件中定义了字符串I/O读写函数：

　　⑴8位宽的字符串I/O操作

　　void insb（unsigned port，void * addr，unsigned long
count）；

　　void outsb（unsigned port ，void * addr，unsigned long
count）；

　　⑵16位宽的字符串I/O操作

　　void insw（unsigned port，void * addr，unsigned long
count）；

　　void outsw（unsigned port ，void * addr，unsigned long
count）；

　　⑶32位宽的字符串I/O操作

　　void insl（unsigned port，void * addr，unsigned long
count）；

　　void outsl（unsigned port ，void * addr，unsigned long
count）；

　　3．5．2 Pausing I/O

　　在一些平台上（典型地如X86），对于老式总线（如ISA）上的慢速外设来说，如果CPU读写其I/O端口的速度太快，那就可能会发生丢失数据的现
象。对于这个问题的解决方法就是在两次连续的I/O操作之间插入一段微小的时延，以便等待慢速外设。这就是所谓的“Pausing
I/O”。

　　对于Pausing
I/O，linux也在io.h头文件中定义了它的I/O读写函数，而且都以XXX_p命名，比如：inb_p()、outb_p()等等。下面我们就以out_p()为例进行分析。

　　将io.h中的宏定义__OUT(b,”b”char)展开后可得如下定义：

extern inline void outb(unsigned char value, unsigned short port)
{

__asm__ __volatile__ ("outb %" "b " "0,%" "w" "1"

: : "a" (value), "Nd" (port));

}

extern inline void outb_p(unsigned char value, unsigned short port)
{

__asm__ __volatile__ ("outb %" "b " "0,%" "w" "1"

__FULL_SLOW_DOWN_IO

: : "a" (value), "Nd" (port));

}

　　可以看出，outb_p()函数的实现中被插入了宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO，以实现微小的延时。宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO在头文件io.h中一开始就被定义：

#ifdef SLOW_IO_BY_JUMPING

#define __SLOW_DOWN_IO "

jmp 1f

1: jmp 1f

1:"

#else

#define __SLOW_DOWN_IO "

outb %%al,$0x80"

#endif

#ifdef REALLY_SLOW_IO

#define __FULL_SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO

　　__SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO

#else

#define __FULL_SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO

#endif

　　显然，__FULL_SLOW_DOWN_IO就是一个或四个__SLOW_DOWN_IO（根据是否定义了宏REALLY_SLOW_IO来决
定），而宏__SLOW_DOWN_IO则被定义成毫无意义的跳转语句或写端口0x80的操作（根据是否定义了宏SLOW_IO_BY_JUMPING来
决定）。