Linux驱动程序开发 - 设备IO

序言：

前面我们提到，设备驱动程序的主要功能操作设备，更准确的说就是如何操作设备寄存器或设备内存。不同的计算机体系结构提供了不同的设备操作接口，主要就是 IO端口映射（Ports）或IO内存映射（Memory-Map ）。例如X86平台，它对设备的访问就同时提供了IO端口映射方式或IO内存映射方式，这个在大学的汇编语言课程里有详细的介绍，当然还有一些平台紧提供 IO内存映射。IO端口映射方式是CPU提供了独立的地址空间给设备IO，并且使用特定的汇编指令操作IO端口。IO内存映射方式提供了统一的内存编址方式来访问设备IO，就像你访问系统内存一样。

通常对于一个给定的硬件平台电路板，它的设备寄存器或内存的物理地址就是确定的了，或者是相对确定的了（它们具有自己的IO地址空间）。但对于向 Linux这样的操作系统，驱动程序是不能直接访问设备的物理地址的，它必须把设备的物理地址映射到Linux内核的虚拟地址空间，这样驱动程序才能通过虚拟地址操作设备。

IO区域：

Linux中使用IO区域（IO Region）来管理设备IO无论它是IO端口映射还是IO内存映射。IO区域是基于IO资源（Resource）来实现的，我们首先来看看IO资源在Linux里的定义：

struct resource {

 resource_size_t start;

 resource_size_t end;

 const char *name;

 unsigned long flags;

 struct resource *parent, *sibling, *child;

};

#define IORESOURCE_IO  0x00000100 

#define IORESOURCE_MEM  0x00000200

#define IORESOURCE_IRQ  0x00000400

#define IORESOURCE_DMA  0x00000800

extern int request_resource(struct resource *root, struct resource *new);

extern int release_resource(struct resource *new);

很明显，它是一个树结构。Linux里将IO资源分成不同的类型，如IO（Port）、MEM、IRQ、DMA，同时内核提供了IO Resource的操作函数，用于分配、请求、释放IO资源。

如果管理的IO资源有多个，直接使用IO资源函数就显得有些麻烦，还好Linux可以使用IO区域来管理这些资源，具体来说，就是Linux定义了一些宏管理IO资源，定义在头文件中，如下：

#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))

#define release_region(start,n)  __release_region(&ioport_resource, (start), (n))

#define check_mem_region(start,n)  __check_region(&iomem_resource, (start), (n))

#define release_mem_region(start,n)  __release_region(&iomem_resource, (start), (n))

在实际的编程中，我们基本上是使用这些宏来操作IO资源，即使你只有一个IO资源，这样可以保证程序的可扩展性和跨平台的兼容性。当然，你必须获取到IO 资源后才可以在Linux内核中操作IO设备。因此，一般来说，你需要在驱动的初始化函数在调用IO区域请求函数来获取IO区域。

最后要说明一点，就是这些宏操作的IO资源有两类，分别是ioport_resource和iomem_resource，他们定义在中：

struct resource ioport_resource = {

 .name  = "PCI IO",

 .start  = 0,

 .end  = IO_SPACE_LIMIT,

 .flags  = IORESOURCE_IO,

struct resource iomem_resource = {

 .name  = "PCI mem",

 .end  = -1,

 .flags  = IORESOURCE_MEM,

IO 端口映射：

在一些平台，特别是X86平台，外设通常具有一个独立的地址空间，叫IO地址空间，对IO地址空间的访问必须使用特定的IO指令（如x86的IN/OUT 指令）。还有一些平台并没有IO地址空间，所有的IO都是内存映射（memory-mapped）的，为了提供程序的跨平台及兼容性，Linux为那些并不支持IO地址空间的平台提供了IO端口操作函数，他们实际上还是通过访问IO内存映射地址来访问的。因此，不管你的程序是使用IO端口映射还是IO内存映射，它都可以很好的运行到各种平台上。

回到我们的主题-IO端口映射。前面我们提到，在使用IO设备之前我们必须向Linux内核申请使用的资源，因此通常在我们的设备初始化函数或探测函数之中会有如下的代码：

if (!request_region(io_addr, IO_NUM, DRV_NAME))

 return -ENODEV;

如果成功申请了IO端口资源，那么我们就可以调用IO端口访问函数来访问IO端口了，它们通常定义在头文件中（每个平台的定义都有所不同，但类似于下表）具体请参考头文件：

inb(unsigned port)

outb(u8 v, unsigned port)

inw(unsigned port)

oubw(u16 v, unsigned port)

inl(unsigned port)

outl(u32 v, unsigned port)

IO内存映射（memory-mapped）

一些新的驱动程序都会使用IO内存映射方式来访问IO设备，因为有些平台仅仅支持IO内存映射，如ARM平台。通常来说，使用IO内存就象使用系统RAM 内存一样的简单，确实有些平台是支持这样的访问的，但还是有些平台不能象访问内存那样直接使用IO内存地址来访问外设IO（Register和RAM），因此内核提供了一组通用的API来支持程序的跨平台及可移植性。

Linux内核提供了两种操作IO内存的函数，一组类似于IO端口函数用于读取1、2、4个字节数据，定义在头文件中：

ioread8(p)

ioread16(p)

ioread32(p)

iowrite8(v,p)

iowrite16(v,p)

iowrite32(v,p)

这些是新的IO内存操作函数，我们推荐你使用这些函数。如果你浏览Linux内核，你会发现还有其他一些函数接口，它们是老的IO内存操作函数，Linux内核会慢慢舍弃这些函数接口，因此尽量不要使用这些函数，但有必要在这里把这些函数列出来，因为确实还是有一些新的驱动仍然使用它们（参考）:

readb()

readw()

readl()

writeb()

writew()

writel()

如果你想象操作内存那样成块的操作IO内存，内核提供了另外的方法，它们类似于内存操作函数。推荐你使用这些函数操作IO内存而不是直接使用IO内存地址，这样你的程序可以移植到不同的平台上，它们定义在头文件中。

extern void _memcpy_fromio(void *, const volatile void __iomem *, size_t);

extern void _memcpy_toio(volatile void __iomem *, const void *, size_t);

extern void _memset_io(volatile void __iomem *, int, size_t);

同样在使用IO内存之前，你需要向Linux内核申请IO区域：

if (!request_mem_region(mapbase, size, DRVNAME)) {

 ret = -EBUSY;

 break;

}

申请完IO区域后，你还不能直接使用它们，你必须把这个地址映射到Linux内核的虚拟地址空间中来，这个操作是通过ioremap函数来实现的，请参考头文件：

membase = ioremap(mapbase, size);

通过这两步操作后，你就可以调用IO内存函数来访问设备IO了。

IO端口重映射

这里说的IO端口重映射不是ioremap的功能，ioremap是将IO内存映射到Linux内核的虚拟地址空间中。我们说的IO端口重映射是将IO端口映射为IO内存，这样就可以象操作IO内存一样操作IO端口了。这样做的好处是我们可以统一驱动程序的接口（都使用IO内存映射），避免为同一个设备提供不同的驱动接口。这个函数同样定义在头文件中：

extern void __iomem *ioport_map(unsigned long port, unsigned int nr);

extern void ioport_unmap(void __iomem *addr);

有一点要注意，在调用完IO端口重映射后，还是需要调用ioremap函数把它映射到Linux内核的虚拟地址空间中来。

后记

设备IO的操作就是这些了，其实在我们的编程中只要调用几个简单的函数或宏就可以完成IO端口的操作了。这里有个问题没有说明，就是设备的访问是需要同步的或着需要延时等待一段时间才能进行下一步的操作。我们在《内核同步技术》一章有个简单的介绍，后面我们将补充几个例子来进一步说明如何进行IO操作。