IO端口和IO内存

从CPU连出来一把线：数据总线、地址总线、控制总线，这把线上挂着N个接口，有相同的，有不同的，名字叫做存储器接口、中断控制接口、DMA接口、并行接口、串行接口、AD接口……一个设备要想接入，就用自己的接口和总线上的某个匹配接口对接……于是总线上出现了各种设备：内存、硬盘，鼠标、键盘，显示器……

对于CPU而言，如果它要发数据到某个设备，其实是发到对应的接口，接口电路里有多个寄存器（也称为端口），访问设备实际上是访问相关的端口，所有的信息会由接口转给它的设备。那么CPU会准备数据到数据总线，但是诸多接口，该发给谁呢？这时就须要为各接口分配一个地址，然后把地址放在地址总线上，需要的控制信息放到控制总线上，就可以和设备通信了。

地址的概念
（1）物理地址：CPU地址总线传来的地址，由硬件电路控制其具体含义。物理地址中很大一部分是留给内存条中的内存的，但也常被映射到其他存储器上（如显存、BIOS等）。在程序指令中的虚拟地址经过段映射和页面映射后，就生成了物理地址，这个物理地址被放到CPU的地址线上。
（2）总线地址：总线的地址线或在地址周期上产生的信号。外设使用的是总线地址，CPU使用的是物理地址。 物理地址与总线地址之间的关系由系统的设计决定的。在x86平台上，物理地址就是总线地址，这是因为它们共享相同的地址空间。在其他平台上，可能需要转换/映射。比如：CPU需要访问物理地址是0xfa000的单元，那么在x86平台上，会产生一个PCI总线上对0xfa000地址的访问。因为物理地址和总线地址相同，所以凭眼睛看是不能确定这个地址是用在哪儿的，它或者在内存中，或者是某个卡上的存储单元，甚至可能这个地址上没有对应的存储器。 
（3）虚拟地址：现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（Virtual Memory Management）机制，这需要MMU（Memory Management Unit）的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片（物理内存）接收，这称为物理地址（Physical
Address），如果处理器启用了MMU，CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address），而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将虚拟地址映射成物理地址。

编址方式
（1）独立编址
I/O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I/O地址，CPU也必须具有专用与输入输出操作的I/O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I/O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。
在IBM PC体系结构中，I/O地址空间一共提供了65,536个8位的I/O端口。可以把两个连续的8位端口看成一个16位端口，但是这必须是从偶数地址开始。同理，也可以把两个连续的16位端口看成一个32位端口，但是这必须是从4的整数倍地址开始。有四条专用的汇编语言指令可以允许CPU对I/O端口进行读写：它们分别是in、ins、out和outs。在执行其中的一条指令时，CPU使用地址总线选择所请求的I/O端口，使用数据总线在CPU寄存器和端口之间传送数据。 

（2）统一编制
I/O端口还可以被映射到物理地址空间：因此，处理器和I/O设备之间的通信就可以直接使用对内存进行操作的汇编语言指令（例如，mov、and、or等等）。现代的硬件设备更倾向于映射I/O，因为这样处理的速度较快，并可以和DMA结合起来使用。也就解释了为什么32位系统名义上支持4G内存，实际上你装上4G内存条在机器上是不行了。因为访问不到4G，还需要为显卡，声卡等设备提供物理地址的映射。
 

Linux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）。