物理地址和虚拟地址的区别

（一）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。

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。

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——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。

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。

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）

，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。

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。

（二）编址方式

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。

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。

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”）。

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：

0x8000 1000    led 8*8点阵的地址

0x4800 0000 ~ 0x6000 0000  sfr（特殊暂存器）地址空间

0x3800 1002   键盘地址

0x3000 0000 ~ 0x3400 0000  sdram空间 

0x2000 0020 ~ 0x2000 002e  ide

0x1900 0300   cs8900

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。

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”。

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：

0000-001f : dma1

0020-003f : pic1

0040-005f : timer

0060-006f : keyboard

0070-007f : rtc

0080-008f : dma page reg

00a0-00bf : pic2

00c0-00df : dma2

00f0-00ff : fpu

0170-0177 : ide1

……

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：

系统资源  占用

------------------------------------------------------------------------

bios  1m

本地apic  4k

芯片组保留 2m

io apic  4k

pci设备  256m

pci express设备 256m

pci设备（可选） 256m

显示帧缓存 16m

tseg  1m

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()。

2）对外设的访问

1、访问i/o内存的流程是：request_mem_region() -> ioremap() -> ioread8()/iowrite8()

 -> iounmap() -> release_mem_region() 。

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():

void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);

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：

ioread8(), iowrite16(), ioread8_rep(), iowrite8_rep()......

2、访问i/o端口

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。

void ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);

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。

linux下的io端口和io内存

cpu对外设端口物理地址的编址方式有两种：一种是io映射方式，另一种是内存映射方式。 

　linux将基于io映射方式的和内存映射方式的io端口统称为io区域（io region）。

　　io region仍然是一种io资源，因此它仍然可以用resource结构类型来描述。

　　linux管理io region：

　　1) request_region()

　　把一个给定区间的io端口分配给一个io设备。

　　2) check_region()

　　检查一个给定区间的io端口是否空闲，或者其中一些是否已经分配给某个io设备。

　　3) release_region()

　　释放以前分配给一个io设备的给定区间的io端口。

　　linux中可以通过以下辅助函数来访问io端口：

　　inb(),inw(),inl(),outb(),outw(),outl()

　　“b”“w”“l”分别代表8位，16位，32位。

　对io内存资源的访问

　　1) request_mem_region()

　　请求分配指定的io内存资源。

　　2) check_mem_region()

　　检查指定的io内存资源是否已被占用。

　　3) release_mem_region()

　　释放指定的io内存资源。

　　其中传给函数的start address参数是内存区的物理地址（以上函数参数表已省略）。

　　驱动开发人员可以将内存映射方式的io端口和外设内存统一看作是io内存资源。

　　ioremap()用来将io资源的物理地址映射到内核虚地址空间（3gb - 4gb）中，

参数addr是指向内核虚地址的指针。

　　linux中可以通过以下辅助函数来访问io内存资源：

　　readb(),readw(),readl(),writeb(),writew(),writel()。

　　linux在kernel/resource.c文件中定义了全局变量ioport_resource和iomem_resource，

来分别描述基于io映射方式的整个io端口空间和基于内存映射方式的io内存资源空间（

包括io端口和外设内存）。

1）关于io与内存空间：

在x86处理器中存在着i/o空间的概念，i/o空间是相对于内存空间而言的，它通过特定的指令in、

out来访问。端口号标识了外设的寄存器地址。intel语法的in、out指令格式为：

in 累加器, {端口号│dx}

out {端口号│dx},累加器

目前，大多数嵌入式微控制器如arm、powerpc等中并不提供i/o空间，而仅存在内存空间。

内存空间可以直接通过地址、指针来访问，程序和程序运行中使用的变量和其他数据都存

在于内存空间中。 

即便是在x86处理器中，虽然提供了i/o空间，如果由我们自己设计电路板，外设仍然可以

只挂接在内存空间。此时，cpu可以像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i/o指令。因此，内存空间是必须的，而i/o空间是可选的。

（2）inb和outb：

在linux设备驱动中，宜使用linux内核提供的函数来访问定位于i/o空间的端口，这些函数包括：

· 读写字节端口（8位宽）

unsigned inb(unsigned port); 

void outb(unsigned char byte, unsigned port); 

· 读写字端口（16位宽）

unsigned inw(unsigned port); 

void outw(unsigned short word, unsigned port); 

· 读写长字端口（32位宽）

unsigned inl(unsigned port); 

void outl(unsigned longword, unsigned port); 

· 读写一串字节

void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 

void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);

· insb()从端口port开始读count个字节端口，并将读取结果写入addr指向的内存；

outsb()将addr指向的内存的count个字节连续地写入port开始的端口。

· 读写一串字

void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 

void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 

· 读写一串长字

void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 

void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 

上述各函数中i/o端口号port的类型高度依赖于具体的硬件平台，因此，

只是写出了unsigned。