BIOS入门之我见-I/O

I/O,即输入输出端口，一般设备都会有专有的I/O地址，用来处理自己的输入输出信息，比如串口1一般用的是3F8h-3FFh,在X86架构下，I/O设备种类较多，因此本节主要介绍一下X86架构下的I/O空间，
ISA I/O, 以及Supper I/O， CMOS等IO 设备的访问方式以及实现方法。

1.I/O空间

　　外设中的寄存器被称为I/O端口，外设中的内存被称为I/O内存。二者合起来统称为I/O空间。
    


          

    图1 I/O空间

1.1 I/O端口及寻址方式

    备驱动程序要直接访问外设或其接口卡上的物理电路，这部分通常都是以寄存器的形式出现。外设寄存器称为I/O端口，通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类。

根据访问外设寄存器的不同方式，可以把 CPU分成两大类。
    一类CPU（如M68K，Power PC，ARM，Unicore等）把这些寄存器看作内存的一部分，寄存器参与内存统一编址，访问寄存器就通过访问一般的内存指令进行，所以，这种CPU没有专门用于设备I/O的指令（可以以此判定体系为哪种）。这就是所谓的“I/O内存”方式。即统一编址。
　　另一类CPU（如X86）将外设的寄存器看成一个独立的地址空间，所以访问内存的指令不能用来访问这些寄存器，而要为对外设寄存器的读／写设置专用指令，如IN和OUT指令。这就是所谓的“I/O端口”方式 。即独立遍址。CPU是i386架构的情况在i386系列的处理中，内存和外部IO是独立编址，也是独立寻址的。MEM的内存空间是32位可以寻址到4G，IO空间是16位可以寻址到64K。
本文主要聚焦在这类遍址方式上。X86架构下，对应的专用指令 IN， OUT。在C语言中，封装成inp,inpw,inpd, 和outp，outpw，outpd函数。

1.2 I/O内存

　　随着计算机技术的发展，单纯的“I/O端口”方式无法满足实际需要了，因为这种方式只能对外设中的几个寄存器进行操作。而实际上，需求在不断发生变化，例如，在PC上可以插上一块显卡，有2MB的存储空间(设备内存），甚至可能还带有ROM,其中装有可执行代码(Option ROM)。自从PCI总线出现后，不管CPU的设计采用I/O端口方式还是I/O内存方式，都必须将外设卡上的存储器映射到内存空间，实际上是采用了虚存空间的手段，这样的映射是通过ioremap（）来建立的。
    CPU是i386架构的情况，在Linux内核中，访问外设上的IO Port必须通过IO Port的寻址方式。而访问IO Mem就比较罗嗦，外部MEM不能和主存一样访问，虽然大小上不相上下，可是外部MEM是没有在系统中注册的。访问外部IO MEM必须通过remap映射到内核的MEM空间后才能访问。为了达到接口的同一性，内核提供了IO Port到IO
Mem的映射函数。映射后IO Port就可以看作是IO Mem，按照IO Mem的访问方式即可。
    CPU是ARM 或PPC或Unicore 架构的情况：在这一类的嵌入式处理器中，IO Port的寻址方式是采用内存映射，也就是IO bus就是Mem bus。系统的寻址能力如果是32位，IO Port＋Mem（包括IO Mem）可以达到4G。访问这类IO
Port时，我们也可以用IO Port专用寻址方式。至于在对IO Port寻址时，内核是具体如何完成的，这个在内核移植时就已经完成。在这种架构的处理器中，仍然保持对IO Port的支持，完全是i386架构遗留下来的问题，在此不多讨论。而访问IO Mem的方式和i386一致。
　　RISC指令系统的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间，外设I/O端口成为内存的一部分。此时，CPU可以象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外设I/O指令。

2. ISA I/O

    ISA设备拥有两个地址空间， ISA I/O 和ISA memory，什么是ISA Device，一种基于早期的ISA总线的设备，需要参考一下ISA 总线架构了，笔者推进有兴趣的看看 ISA Architectrue 一书。本章聚焦ISA I/O访问方式。ISA I/O
访问读写需要分别操作Index Port和 Data Port，即向 Index 端口写偏移地址，然后操作Data端口。

    ISA设备目前基本消失了，但还有些老的系统中在采用，还有因为兼容原因，有些已经集成到系统芯片中了，所以访问方式集成下来了，有必要在这里提一下。目前比较常用到的CMOS和Supper I/O

2.1 CMOS

    在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的并行或串行FLASH芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。现在的CMOS逻辑功能基本都集成在芯片组中了。而且现在的BIOS中的参数设置大部分都不再放到CMOS中了。
主要还是用来维持日期，时间。

    CMOS用到Index port 70h和Data port 71h对应的128个寄存器，目前的芯片组还扩展了72h，73h IO空间。

读CMOS操作（以读偏移地址0Eh为例）

mov al,0Eh

out 70h,al

jmp $+2

jmp $+2

in  al, 71h

写CMOS操作（以写数据88h到偏移地址50h寄存器为例）

mov al,50h

or al, 80h

out 70h,al

jmp $+2

jmp $+2

mov al,88h

out 71h,al

2.2 Supper I/O

     Supper I/O 主要是用来扩展PS2，串口，并口，HW Monitor等传统功能，通过LPC总线与芯片组（南桥）连接。一般用（2Eh，2Fh）或（4Eh，4Fh）等地址，另外一般Supper I/O 访问寄存器时，都需要输入解密Key。

比如Winbond的需要向2Eh写两次87h。

以读取地址07的寄存器内容为例，假设Supper I/O地址为(2e,2f)。

int data = 0;

outp(0x2e, 0x87); //解密输入Key

outp(0x2e, 0x87);

outp(0x2e, 0x07); //选择07寄存器

data = inp(0x2f); //读取寄存器中数据

2.3 其它

    除了上述两种ISA I/O设备之外，HW Monitor的访问也是用 ISA I/O的访问方式。对于传统的ISA设备，有些采集卡和网卡是采用这种ISA总线的。

参考文献

“I/O空间介绍”  来源： <http://blog.csdn.net/southcamel/article/details/12031705>