Linux对I/O端口资源的管理(1)

Linux对I/O端口资源的管理(1)》摘要: 作者:詹荣开 摘要 本文主要从内核实现的角度分析Linux 2.4.0内核IO子系统中对IO端口资源的管理的实现原理。本文是为那些想要深入分析Linux的IO子系统的读者和设备驱动程序开发人员而写的。 申…

作者:詹荣开

摘要

本文主要从内核实现的角度分析Linux 2.4.0内核IO子系统中对IO端口资源的管理的实现原理。本文是为那些想要深入分析Linux的IO子系统的读者和设备驱动程序开发人员而写的。

申明:这份文档是按照自由软件开放源代码的精神发布的,任何人可以免费获得、使用和重新发布,但是你没有限制别人重新发布你发布内容的权利。发布本文的目的是希望它能对读者有用,但没有任何担保,甚至没有适合特定目的的隐含的担保。更详细的情况请参阅GNU通用公共许可证(GPL),以及GNU自由文档协议(GFDL)。

几乎每一种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”,通常包括:控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类,而且一个外设的寄存器通常被连续地编址。CPU对外设IO端口物理地址的编址方式有两种:一种是I/O映射方式(I/O-mapped),另一种是内存映射方式(Memory-mapped)。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。

有些体系结构的CPU(如,PowerPC、m68k等)通常只实现一个物理地址空间(RAM)。在这种情况下,外设I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中,而成为内存的一部分。此时,CPU可以象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外设I/O指令。这就是所谓的“内存映射方式”(Memory-mapped)。

而另外一些体系结构的CPU(典型地如X86)则为外设专门实现了一个单独地地址空间,称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间,所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令(如X86的IN和OUT指令)来访问这一空间中的地址单元(也即I/O端口)。这就是所谓的“I/O映射方式”(I/O-mapped)。与RAM物理地址空间相比,I/O地址空间通常都比较小,如x86 CPU的I/O空间就只有64KB(0-0xffff)。这是“I/O映射方式”的一个主要缺点。

Linux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)。在讨论对I/O区域的管理之前,我们首先来分析一下Linux是如何实现“I/O资源”这一抽象概念的。

3.1 Linux对I/O资源的描述

Linux设计了一个通用的数据结构resource来描述各种I/O资源(如:I/O端口、外设内存、DMA和IRQ等)。该结构定义在include/linux/ioport.h头文件中:

struct resource {

const char *name;

unsigned long start, end;

unsigned long flags;

struct resource *parent, *sibling, *child;

};

各成员的含义如下:

1. name指针:指向此资源的名称。

2. start和end:表示资源的起始物理地址和终止物理地址。它们确定了资源的范围,也即是一个闭区间[start,end]。

3. flags:描述此资源属性的标志(见下面)。

4. 指针parent、sibling和child:分别为指向父亲、兄弟和子资源的指针。

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