LDD3 第9章 与硬件通信

一、I/O端口和I/O内存

每种外设都通过读写寄存器进行控制。大部分外设都有几个寄存器，不管是在内村地址空间还是在I/O地址空间，这些寄存器的访问地址都是连续的。

在硬件层，内存区域和I/O区域没有区别：都是地址总线和控制总线发送电平信号进行访问，再通过数据总线读写数据

I/O寄存器和常规内存

I/O寄存器

• 需要注意CPU编译时不恰当的优化而改变预期I/O动作。
• 具有边际效应，提高速度有极限
• 对I/O操作来说优化可能造成致命的错误，收到边际效应影响

常规内存

• 内存没有边际效应，写操作读操作的访问速度对CPU性能至关重要，需要多种方法优化。
• 对于内存操作的优化，过程是透明的，效果良好

5个宏来解决所有可能的排序问题：

#include <linux/kernel.h>
void barrier(void)这个函数通知编译器插入一个内存屏障，但对硬件没有影响
#include <asm/system.h>
void rmb(void);
void read_barrier_depends(void);
void wmb(void);
void mb(void);
这些函数在已编译的指令流中插入硬件内存屏障
void smp_rmb(void);
void smp_read_barrier_depends(void);
void smp_wmb(void);
void smp_mb(void);
上述屏障宏版本也插入硬件屏障，但仅仅在内核针对SMP系统编译时有效

解决宏

设备驱动程序中使用内存屏障的典型形式如下：

writel(dev->registers.addr, io_destination_address);
writel(dev->registers.size, io_size);
writel(dev->registers.operation, DEV_READ);
wmb();
writel(dev->registers.control, DEV_GO);

允许赋值语句和内存屏障合并使用的宏：

#define set_mb(var, value)    do { var = value; mb();} while 0
#define set_wmb(var, value)    do { var = value; wmb();} while 0
#define set_rmb(var, value)    do { var = value; rmb(); } while 0
#include <asm/system.h>

合并使用

二、使用I/O端口

I/O端口分配

一个注册用的接口，允许驱动程序声明自己需要操作的端口。核心函数request_region;

#include <linux/ioport.h>
struct resource *request_region(unsigned long first, unsigned long n, const char *name);
first：要使用起始于firt的n个端口
name：设备名称
返回值：成功非NULL，失败NULL

注册

所有端口分配可以从/proc/ioports中得到，还可以通过/proc得知那些驱动程序分配了端口

void release_region(unsigned long start, unsigned long n);

释放IO

允许驱动程序检查给定I/O集是否可用：

int check_region(unsigned long first, usnigned long n);
它的返回值不能确保分配能否成功，主要还是需要requset_region

是否可用

操作IO端口

多数硬件会把8Wie、16位和32位的端口区分开来

为了方便移植，I/O端口地址寄存器重映射到内存地址来伪装开端口I/O，头文件<asm/io.h>中有如下内联函数

unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsigned char byte, unsigned port);
字节（8位宽度）读写端口
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsigned short word, unsigned port);
用于访问16位端口（字宽度）
unsigned inl(unsigned port);
void outl(unsigned longword, unsigned port);
用于访问32位端口

端口访问函数

在用户空间使用端口

如果要在用户空间使用inb及其相关函数，必须满足下面这些条件：

• 编译该程序时必须带-O选项强制内联函数展开
• 必须用ioperm或iopl系统调用来获取对端口进行I/O操作的权限，
• 必须以root身份运行该程序才能调用ioperm

串操作

函数原型如下：

void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
从内存地址addr开始连续读/写count数目的字节，只对单一端口port读取或写入
void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
对一个16位端口读/写16位数据
void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
对一个32位端口读/写32位数据

串操作函数原型

三、I/O端口示例

并口简介

并口的最小配置由3个8位端口组成。略过吧，没意思

四、使用I/O内存

除了x86升普遍使用的I/O端口之外，和设备通信的另一种主要机制是通过使用映射。

不管访问I/O内存时是否需要调用ioremap，都不鼓励直接使用指向I/O内存的指针。

I/O内存分配和映射

使用前，必须首先分配I/O内存区域，用于分配内存区域的接口在<linux/ioport.h>中定义：

struct resource *request_mem_region(unsigned long start, unsigned long len, char *name);
从start开始分配len字节长的内存区域。
成功：非NULL指针，失败：NULL值

/* 不再使用已分配的内存区域，释放 */
void release_mem_region(unsigned long start, usngined long len);
/* 下面是用来检查给定I/O内存区域是否可用的老函数 */
int check_mem_region(unsigned long start, usngined long len);

分配I/O内存并不是访问这些内存之前需要完成的唯一步骤，我们还必须确保I/O内存对内核而言可访问。

必须首先建立映射，映射建立由ioremap函数完成。

一旦调用ioremap之后，设备驱动程序即可访问任意的I/O内存地址了

根据以下定义调用ioremap函数：

#include <asm/io.h>
void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);
void *ioremap_nocache(unsigned long phys_addr, unsigned long size);
void iounmap(void *addr);

访问I/O内存

可以将ioremap返回值直接当作指针使用。但是不具有可移植性。正确方法是通过一组专用于此目的的函数<asm/io.h>中定义

/* 要从I/O内存中读取，可使用下面函数之一 */
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
addr：应该从ioreamp获得的地址，
/* 返回值是从给定I/O内存读取到的值 */

还有一组用于写入I/O内存的类似函数集如下：

void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value ,void *addr);

如果必须在给定I/O内存地址处读/写一系列的值，可使用上述函数的重复版本：

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);
void iowrite8_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);
void iowrite16_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);
void iowrite32_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);
/* 从给定的buf向给定的addr读取或写入count个值。注意，count以被写入的数据大小为单位表示 */

上面的函数需要给定的addr处执行所有I/O操作。如果我们要在一块I/O内存上执行操作：

void memset_io(void *addr, u8 value, unsigned int count);
void memcpy_fromio(void *dest, void *source, unsigned int count);
void memcpy_toio(void *dest, void *source, unsigned int count);

还有一些老的I/O函数，安全性较差，如下：

unsigned reeadb(address);
unsigned readw(address);
unsgined readl(address);
/* 用来从I/O内存检索8位、16位和32位的数据 */
void writeb(unsigned value, address);
void writew(unsigned value, address);
void writel(unsgined value, address);

老接口

像I/O内存一样使用端口

为了让处理这类硬件驱动更加易于编写，2.6引入了ioport_map函数：

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

当不再需要这种映射时，调用撤销函数：

void ioport_unmap(void *addr);