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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……- w' i3 }4 v- L0 n
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。4 H% m6 W5 z$ ]. ^( V; T% k+ A
对一个系统而言，通常会有多个外设，每个外设的接口电路中，又会有多个端口，每个端口都需要一个地址，为他们标识一个具体的地址值，是系统必须解决的事，与此同时，你还有个内存条，可能是512M或1G或更大的金士顿、现代ddr2之类，他们的每一个地址也都需要分配一个标识值，另外，很多外设有自己的内存、缓冲区，就像你的内存条一样，你同样需要为它们分配内存……你的CPU可能需要和它们的每一个字节都打交道，所以：别指望偷懒，它们的每一寸土地都要规划好！这听起来就很烦，做起来可能就直接导致脑细胞全部阵亡。但事情总是得有人去做，ARM可能会这样做：他这次设计的CPU是32位的，最多也就能寻址2^32=4G空间，于是把这4GB空间丢给内存和端口，让他们瓜分。但英特尔或许有更好的分配方式……8 H4 @2 k. k+ p! O
（一）地址的概念
$ E. G6 ~7 X5 A& i3 k$ k1）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。
0 a, j. B# @4 m q 物理地址空间，一部分给物理RAM（内存）用，一部分给总线用，这是由硬件设计来决定的，因此在32 bits地址线的x86处理器中，物理地址空间是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因为还有一部分要给总线用（总线上还挂着别的许多设备）。在PC机中，一般是把低端物理地址给RAM用，高端物理地址给总线用。
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1 H5 n# z. V, s j2）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。* F5 h8 V8 J6 e5 {9 c+ Y
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——这句话有点难理解，详见下面的“独立编址”。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。$ V* H9 n+ z! c: t1 R. z9 b% t: p3 l; p
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。6 K7 n# U1 ^9 I: t, C# `
Linux中，进程的4GB（虚拟）内存分为用户空间、内核空间。用户空间分布为0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于0xC0000000）' A% F3 m! H! `. ^# h8 {
，剩下的1G为内核空间。程序员只能使用虚拟地址。系统中每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。, [* J8 a- X8 k' I5 Z5 }
CPU发出取指令请求时的地址是当前上下文的虚拟地址，MMU再从页表中找到这个虚拟地址的物理地址，完成取指。同样读取数据的也是虚拟地址，比如mov ax, var. 编译时var就是一个虚拟地址，也是通过MMU从也表中来找到物理地址，再产生总线时序，完成取数据的。
$ g1 \! v4 @/ S5 H（二）编址方式( O' e+ D: E% b6 j' l8 X% @& L9 i* S
1）外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的，外设寄存器也称为“I/O端口”，而IO端口有两种编址方式：独立编址和统一编制。
$ M+ l% o5 h( |+ ?5 u' P 统一编址：外设接口中的IO寄存器（即IO端口）与主存单元一样看待，每个端口占用一个存储单元的地址，将主存的一部分划出来用作IO地址空间，如，在PDP-11中，把最高的4K主存作为IO设备寄存器地址。端口占用了存储器的地址空间，使存储量容量减小。
k& P9 E5 P' h/ U% ~: ~0 \ 统一编址也称为“I/O内存”方式，外设寄存器位于“内存空间”（很多外设有自己的内存、缓冲区，外设的寄存器和内存统称“I/O空间”）。
( P, p. \5 B! a 如，Samsung的S3C2440，是32位ARM处理器，它的4GB地址空间被外设、RAM等瓜分：/ E% p7 L- [( v5 J2 {7 a
0x8000 1000 LED 8*8点阵的地址
8 F1 z1 m9 r B" \: ]0x4800 0000 ~ 0x6000 0000 SFR（特殊暂存器）地址空间
$ F# u3 d7 D+ N& P7 Z- p( T0x3800 1002 键盘地址
3 `8 G/ t1 W1 ?& v3 z0x3000 0000 ~ 0x3400 0000 SDRAM空间
( x2 X% }* C- v4 @5 \- \! {& [0 @0x2000 0020 ~ 0x2000 002e IDE5 }, L7 l7 u5 \& z
0x1900 0300 CS8900* u! M" V( G! C
独立编址（单独编址）：IO地址与存储地址分开独立编址，I/0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IO地址，CPU也必须具有专用与输入输出操作的IO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IO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。如，intel 80x86就采用单独编址，CPU内存和I/O是一起编址的，就是说内存一部分的地址和I/O地址是重叠的。0 R" _, d4 n, f
独立编址也称为“I/O端口”方式，外设寄存器位于“I/O（地址）空间”。+ {9 a7 J+ s) A4 T! _
对于x86架构来说，通过IN/OUT指令访问。PC架构一共有65536个8Bit的I/O端口，组成64K个I/O地址空间，编号从0~0xFFFF，有16位，80x86用低16位地址线A0-A15来寻址。连续两个8bit的端口可以组成一个16bit的端口，连续4个组成一个32bit的端口。I/O地址空间和CPU的物理地址空间是两个不同的概念，例如I/O地址空间为64K，一个32bit的CPU物理地址空间是4G。如，在Intel 8086+Redhat9.0 下用“more /proc/ioports”可看到：# n" C0 w9 `0 V* Y& n x' Y
0000-001f : dma1
8 @+ t$ a& b8 X5 `0020-003f : pic1
% A4 J% M+ p# @+ M R0040-005f : timer
2 N4 r5 ^# h6 B8 I' W0060-006f : keyboard
* v) A, k% `( K& D0070-007f : rtc1 T! }- G3 E) U+ _/ J- j d
0080-008f : dma page reg
5 @+ M6 U3 S& O- W7 W) ]5 t00a0-00bf : pic2: j, o# r m# a" C8 x
00c0-00df : dma2
2 E2 z* p* z; c9 d1 k00f0-00ff : fpu
j! F' s7 I! j# J0170-0177 : ide1( }- m) o+ A Z
……, s* V8 M b/ I6 n" N) a3 U; X
不过Intel x86平台普通使用了名为内存映射（MMIO）的技术，该技术是PCI规范的一部分，IO设备端口被映射到内存空间，映射后，CPU访问IO端口就如同访问内存一样。看Intel TA 719文档给出的x86/x64系统典型内存地址分配表：
5 r# J; ^/ E) \: t' e1 A系统资源 占用
& m6 W* m5 k9 y. Q( z5 w3 P------------------------------------------------------------------------% T. [" E" h( U1 O4 G4 x* J
BIOS 1M. _$ s. r7 Y6 ?- [) k
本地APIC 4K Q. o% k( F! C
芯片组保留 2M! D8 d9 ?7 @) d$ l
IO APIC 4K. E7 w2 \7 |/ t8 T. z- T$ [$ v
PCI设备 256M
~5 ?2 p" s8 H) Y) h9 s( gPCI Express设备 256M9 j0 P% u1 @# [
PCI设备（可选） 256M
5 I7 Z6 e% ^) _+ z) X; U' n显示帧缓存 16M3 Q; T+ T; K, }1 L: p6 B
TSEG 1M
3 O9 H! R6 g- J: Q; L 对于某一既定的系统，它要么是独立编址、要么是统一编址，具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。 如，PowerPC、m68k等采用统一编址，而X86等则采用独立编址，存在IO空间的概念。目前，大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并不提供I/O空间，仅有内存空间，可直接用地址、指针访问。但对于Linux内核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必须都要考虑这两种方式，于是它采用一种新的方法，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），不论你采用哪种方式，都要先申请IO区域：request_resource()，结束时释放它：release_resource()。 S+ `; O. @( _4 O5 l
; a% G' l1 k- o- S5 f }7 t; L' e2）对外设的访问" _/ [+ `) f1 D; u
1、访问I/O内存的流程是：request_mem_region() -> ioremap() -> ioread8()/iowrite8() -> iounmap() -> release_mem_region() 。; R6 f% ^& l4 X6 _
前面说过，IO内存是统一编址下的概念，对于统一编址，IO地址空间是物理主存的一部分，对于编程而言，我们只能操作虚拟内存，所以，访问的第一步就是要把设备所处的物理地址映射到虚拟地址，Linux2.6下用ioremap():6 V$ T, g9 ~9 h8 X! x
void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);* W# c: Y$ m3 s' S- \0 O
然后，我们可以直接通过指针来访问这些地址，但是也可以用Linux内核的一组函数来读写：
/ d5 a C- ~. Y6 d: F3 nioread8(), iowrite16(), ioread8_rep(), iowrite8_rep()......& |$ U' P/ z4 q- D& o( ?! H6 R) p
2、访问I/O端口; f5 ^% w' k( G# @8 T
访问IO端口有2种途径：I/O映射方式（I/O－mapped）、内存映射方式（Memory－mapped）。前一种途径不映射到内存空间，直接使用intb()/outb()之类的函数来读写IO端口；后一种MMIO是先把IO端口映射到IO内存（“内存空间”），再使用访问IO内存的函数来访问IO端口。
3 \# V& K9 Y" `: c void ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);
$ R% c; o) v% w3 k通过这个函数，可以把port开始的count个连续的IO端口映射为一段“内存空间”，然后就可以在其返回的地址是像访问IO内存一样访问这些IO端口。
6 k5 W- j# w1 b% | q! W7 @3，优缺点比较
. S/ O/ Y2 Y; C$ A/ c0 I) { I／0独立编址的优点是：不占用内存空间；使用I／O指令，程序清晰，很容易看出是I／O操作还是存储器操作；译码电路比较简单(因为I／0端口的地址空间一般较小，所用地址线也就较少)。其缺点是：只能用专门的I／0指令，访问端口的方法不如访问存储器的方法多。 V, S0 g$ [' }( i% ?. Z
究竟采用哪一种取决于系统的总体设计。在一个系统中也可以同时使用两种方式，前提是首先要支持I／O独立编址。：Intel的x86微处理器都支持I／O独立编址，因为它们的指令系统中都有I／O指令，并设置了可以区分I／O访问和存储器访问的控制信号引脚。而一些微处理器或单片机，为了减少引脚，从而减少芯片占用面积，不支持I／O独立编址，只能采用存储器统一编址。) N: U% F' c, P) a
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发表于 2021-1-28 13:53
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