[ARM筆記](méi)設(shè)備IO端口和IO內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)

設(shè)備通常會(huì)提供一組寄存器來(lái)用于控制設(shè)備、讀寫(xiě)設(shè)備和獲取設(shè)備狀態(tài)，即控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和狀態(tài)寄存器。這些寄存器可能位于IO空間，也可能位于內(nèi)存空間。當(dāng)位于IO空間時(shí)，通常被稱(chēng)為IO端口，位于內(nèi)存空間時(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間成為IO內(nèi)存。

1. Linux IO端口和IO內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)接口
1.1 IO端口
在Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)中，應(yīng)使用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)定位于IO空間的端口，這些函數(shù)包括如下幾種：
（1）讀寫(xiě)字節(jié)端口（8位寬）
unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsigned char byte , unsigned port);

（2）讀寫(xiě)字端口（16位寬）
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsigned char byte , unsigned port);

（3）讀寫(xiě)長(zhǎng)字端口（32位寬）
unsigned inl(unsigned port);
void outl(unsigned char byte , unsigned port);

（4）讀寫(xiě)一串字
void insw(unsigned port , void *addr , unsigned long count);
void outsw(unsigned port , void *addr , unsigned long count);

（5）讀寫(xiě)一串長(zhǎng)字
void insl(unsigned port , void *addr , unsigned long count);
void outsl(unsigned port , void *addr , unsigned long count);
上述各函數(shù)中IO端口號(hào)port的類(lèi)型高度依賴(lài)于具體的硬件平臺(tái)，因此，只是寫(xiě)出了unsigned。

1.2 IO內(nèi)存
在內(nèi)核中訪(fǎng)問(wèn)IO內(nèi)存之前，需首先使用ioremap()函數(shù)將設(shè)備所處的物理地址映射到虛擬地址。ioremap的原型如下：
void *ioremap(unsigned long offset , unsigned long size);
ioremap()與vmalloc()類(lèi)似，也需要建立新的頁(yè)表，但是它并不進(jìn)行vmalloc()中所執(zhí)行的內(nèi)存分配行為。ioremap()返回一個(gè)特殊的虛擬地址，該地址可用來(lái)存取特定的物理地址范圍。通過(guò)ioremap()獲得的虛擬地址應(yīng)該被iounmap()函數(shù)釋放，其原型為：
void iounmap(void *addr);
在設(shè)備的物理地址被映射到虛擬地址之后，盡管可以直接通過(guò)指針訪(fǎng)問(wèn)這些地址，但是可以使用Linux內(nèi)核的如下一組函數(shù)來(lái)完成設(shè)備內(nèi)存映射的虛擬地址的讀寫(xiě)，這些函數(shù)如下所示。
（1）讀IO內(nèi)存
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
與上述函數(shù)對(duì)應(yīng)的較早版本的函數(shù)為（這些函數(shù)在Linux2.6中仍然被支持）：
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);

（2）寫(xiě)IO內(nèi)存
void iowrite8(u8 value , void *addr);
void iowrite16(u16 value , void *addr);
void iowrite32(u32 value , void *addr);
與上述函數(shù)對(duì)應(yīng)的較早版本的函數(shù)為（這些函數(shù)在Linux2.6中仍然被支持）：
unsigned writeb(address);
unsigned writew(address);
unsigned writel(address);

（3）讀一串IO內(nèi)存
void ioread8_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);
void ioread16_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);
void ioread32_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);

（4）寫(xiě)一串IO內(nèi)存
void iowrite8_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);
void iowrite16_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);
void iowrite32_rep(void *addr , void *buf , unsigned long count);

（5）復(fù)制IO內(nèi)存
void memcpy_fromio(void *dest , void *source , unsigned int count);
void memcpy_toio(void *dest , void *source , unsigned int count);

（6）設(shè)置IO內(nèi)存
void memset_io(void *addr , u8 value , unsigned int count);

1.3 把IO端口映射到內(nèi)存空間
void *ioport_map(unsigned long port , unsigned int count);
通過(guò)這個(gè)函數(shù)，可以把port開(kāi)始的count個(gè)連續(xù)的IO端口重映射為一段“內(nèi)存空間”。然后就可以在其返回的地址上像訪(fǎng)問(wèn)IO內(nèi)存一樣訪(fǎng)問(wèn)這些IO端口。當(dāng)不再需要這種映射時(shí)，需要調(diào)用下面的函數(shù)來(lái)撤銷(xiāo)。
void ioport_unmap(void *addr);
實(shí)際上，分析ioport_map()的源代碼可發(fā)現(xiàn)，映射到內(nèi)存空間行為實(shí)際上是給開(kāi)發(fā)人員制造的一個(gè)“假象”，并沒(méi)有映射到內(nèi)核虛擬地址，僅僅是為了讓工程師可使用統(tǒng)一的IO內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)接口訪(fǎng)問(wèn)IO端口。

2. 申請(qǐng)與釋放設(shè)備IO端口和IO內(nèi)存
2.1 IO端口申請(qǐng)
Linux內(nèi)核提供了一組函數(shù)用于申請(qǐng)和釋放IO端口。
struct resource *request_region(resource_size_t start, resource_size_t n, const char *name);
這個(gè)函數(shù)向內(nèi)核申請(qǐng)了n個(gè)端口，這些端口從first開(kāi)始，name參數(shù)為設(shè)備的名稱(chēng)。如果分配成功返回非NULL，失敗，則返回NULL。
當(dāng)用request_region()申請(qǐng)的IO端口使用完成后，應(yīng)當(dāng)使用release_region()函數(shù)將它們還給系統(tǒng)，這個(gè)函數(shù)的原型如下：
void release_region(resource_size_t start , resource_size_t n);

2.2 IO內(nèi)存申請(qǐng)
Linux內(nèi)核提供了一組函數(shù)用于申請(qǐng)和釋放IO內(nèi)存的范圍。
struct resource *request_mem_region(resource_size_t start, resource_size_t n, const char *name, const char *name);
這個(gè)函數(shù)向內(nèi)核申請(qǐng)n個(gè)內(nèi)存地址，這些地址從first開(kāi)始，name參數(shù)為設(shè)備的名稱(chēng)。如果分配成功返回值是非NULL，如果失敗，返回NULL。
當(dāng)用request_mem_region()申請(qǐng)的IO內(nèi)存使用完成后，應(yīng)當(dāng)使用release_region()函數(shù)將它們還給系統(tǒng)，這個(gè)函數(shù)的原型如下：
void release_region(resource_size_t start , resource_size_t n);
上述request_region()和release_mem_region()都不是必須的，但建議使用。其任務(wù)是檢查申請(qǐng)的資源是否可用，如果可用則申請(qǐng)成功，并標(biāo)志為已經(jīng)使用，其他驅(qū)動(dòng)想再次申請(qǐng)?jiān)撡Y源就會(huì)失敗。
查看內(nèi)核源碼可知，request_region()和request_mem_region()調(diào)用的函數(shù)是一樣的，只是傳入?yún)?shù)的不同。
#define request_region(start,n,name) __request_region(&ioport_resource, (start), (n), (name))
#define request_mem_region(start,n,name) __request_region(&iomem_resource, (start), (n), (name))

3. 設(shè)備IO端口和IO內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)流程
IO端口訪(fǎng)問(wèn)的一種途徑是直接使用IO端口操作函數(shù)：在設(shè)備打開(kāi)或驅(qū)動(dòng)模塊被加載時(shí)申請(qǐng)IO端口區(qū)域，之后使用inb()、outb()等進(jìn)行端口訪(fǎng)問(wèn)，最后，在設(shè)備關(guān)閉或驅(qū)動(dòng)被卸載時(shí)釋放IO端口范圍。
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| request_region() | 在設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載或open()函數(shù)中進(jìn)行
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| inb()、outb()等 | 在設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化、write()、read()、iotcl()等函數(shù)中進(jìn)行
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| release_region()等 | 在設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊卸載或release()函數(shù)中進(jìn)行
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IO端口的訪(fǎng)問(wèn)流程（不映射到內(nèi)存空間）

IO端口訪(fǎng)問(wèn)的另一種途徑是將IO端口映射為內(nèi)存進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)：在設(shè)備打開(kāi)或驅(qū)動(dòng)模塊被加載時(shí)，申請(qǐng)IO端口區(qū)域并使用ioport_map()映射到內(nèi)存，之后使用IO內(nèi)存的函數(shù)進(jìn)行端口訪(fǎng)問(wèn)，最后，在設(shè)備關(guān)閉或驅(qū)動(dòng)被卸載時(shí)釋放IO端口并釋放映射。整個(gè)流程如下圖所示：
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| request_region()等 |
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| 在設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載或open()函數(shù)中進(jìn)行
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| | /
| ioport_map()等 |
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| ioread8、ioread16、 | 在設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化、write()、read()、ioctl等函數(shù)中調(diào)用
| ioread32、iowrite8等|
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| ioport_unmap()|
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___________________________ /在設(shè)備驅(qū)動(dòng)卸載或release()函數(shù)中調(diào)用
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| release_region()| /
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IO端口的訪(fǎng)問(wèn)流程（映射到內(nèi)存空間）

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| request_mem_region()等|
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| 在設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載或open()函數(shù)中進(jìn)行
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| | /
| ioremap()等 |/
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| ioread8、ioread16、 | 在設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化、write()、read()、ioctl等函數(shù)中調(diào)用
| ioread32、iowrite8等 |
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| iounmap() |
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______________________________ /在設(shè)備驅(qū)動(dòng)卸載或release()函數(shù)中調(diào)用
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| release_mem_region() | /
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