Linux设备驱动之I/O端口与I/O内存

在 Linux 设备驱动开发中，​I/O 端口和I/O 内存是两种与硬件设备通信的核心机制。它们对应不同的硬件访问方式，适用于不同的设备类型（如传统 ISA 设备或现代 PCI 设备）。以下是两者的详细对比及使用方法。

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​1. I/O 端口（Port I/O）​

​基本概念

• ​适用场景：传统 ISA 设备或需要直接通过端口号访问的硬件（如串口、PS/2 控制器）。
• ​特点：
  • 通过独立的 I/O 地址空间访问（x86 架构的 in/out 指令）。
  • 地址范围通常较小（0x0000 ~ 0xFFFF）。
  • 需要申请端口资源，防止冲突。

​操作流程

1. ​申请端口资源：

   #include <linux/ioport.h>
   
   struct resource *request_region(unsigned long start, unsigned long len, const char *name);

   • ​示例：

     if (!request_region(0x3F8, 8, "my_serial")) {
         printk(KERN_ERR "Failed to request I/O ports\n");
         return -EBUSY;
     }

2. ​端口读写函数：

   • ​8 位操作：

     unsigned char inb(unsigned int port);
     void outb(unsigned char value, unsigned int port);

   • ​16 位操作：

     unsigned short inw(unsigned int port);
     void outw(unsigned short value, unsigned int port);

   • ​32 位操作：

     unsigned int inl(unsigned int port);
     void outl(unsigned int value, unsigned int port);

3. ​释放端口资源：

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

​代码示例

// 向串口端口 0x3F8 写入数据
outb('A', 0x3F8);

// 从端口 0x3F8 读取数据
unsigned char data = inb(0x3F8);

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​2. I/O 内存（Memory-Mapped I/O）​

​基本概念

• ​适用场景：现代 PCI 设备、SoC 外设等，通过将硬件寄存器映射到内存地址空间访问。
• ​特点：
  • 硬件寄存器映射到系统内存地址空间。
  • 支持大范围地址访问。
  • 需要映射到内核虚拟地址才能访问。

​操作流程

1. ​申请内存资源：

   struct resource *request_mem_region(resource_size_t start, resource_size_t len, const char *name);

2. ​映射到内核虚拟地址：

   void __iomem *ioremap(phys_addr_t offset, size_t size);

3. ​访问内存映射寄存器：

   • 使用内核提供的访问函数（避免直接指针操作）：
     • ​8 位操作：

       unsigned char ioread8(const void __iomem *addr);
       void iowrite8(u8 value, void __iomem *addr);

     • ​16 位操作：

       unsigned short ioread16(const void __iomem *addr);
       void iowrite16(u16 value, void __iomem *addr);

     • ​32 位操作：

       unsigned int ioread32(const void __iomem *addr);
       void iowrite32(u32 value, void __iomem *addr);

4. ​解除映射并释放资源：

   void iounmap(void __iomem *addr);
   void release_mem_region(resource_size_t start, resource_size_t len);

​代码示例

// 1. 申请内存资源（假设设备寄存器物理地址为 0xFED00000）
if (!request_mem_region(0xFED00000, 0x100, "my_device")) {
    return -EBUSY;
}

// 2. 映射到内核虚拟地址
void __iomem *regs = ioremap(0xFED00000, 0x100);
if (!regs) {
    release_mem_region(0xFED00000, 0x100);
    return -ENOMEM;
}

// 3. 读写寄存器
u32 value = ioread32(regs + 0x10);  // 读取偏移 0x10 处的 32 位寄存器
iowrite32(0x12345678, regs + 0x10); // 写入数据

// 4. 清理
iounmap(regs);
release_mem_region(0xFED00000, 0x100);

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​3. 对比与选择

​特性	​I/O 端口	​I/O 内存
​地址空间	独立的 I/O 地址空间	系统内存地址空间
​适用设备	传统 ISA 设备	现代 PCI/PCIe、SoC 外设
​操作函数	inb()/outb() 等	ioread8()/iowrite8() 等
​性能	较低（需通过端口指令）	较高（直接内存访问）
​跨平台兼容性	x86 架构为主	通用（ARM、x86 等均支持）

选择原则：

• 优先使用 ​I/O 内存​（现代设备普遍支持）。
• 仅在传统设备（如旧 ISA 设备）必须时使用 ​I/O 端口。

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​4. 高级用法

​(1) 内存屏障（Memory Barriers）​

确保硬件寄存器访问顺序：

iowrite32(0x55AA, regs + CTRL_REG);  // 写入控制寄存器
mb();  // 内存屏障，确保写入完成

​(2) 直接指针访问（慎用）​

仅在内核明确允许时使用：

u32 __iomem *reg = (u32 __iomem *)regs;
writel(0x12345678, reg + 0x10);  // 等效于 iowrite32()

​(3) 用户空间映射（mmap）​

允许用户空间直接访问设备内存：

// 驱动中的 mmap 实现
static int mydev_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma) {
    unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
    unsigned long pfn = virt_to_phys(regs_base + offset) >> PAGE_SHIFT;
    return remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot);
}

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​5. 调试与工具

​(1) 查看资源分配

• ​I/O 端口：

  cat /proc/ioports

• ​I/O 内存：

  cat /proc/iomem

​(2) 直接读写工具

• ​I/O 端口：

  sudo setpci -s 00:02.0 0x10.L=0x12345678  # 修改 PCI 配置空间

• ​I/O 内存：

  sudo busybox devmem 0xFED00000 32  # 读取物理地址 0xFED00000 的 32 位值

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​6. 常见问题

​(1) 资源冲突

• ​表现：request_region 或 request_mem_region 失败（返回 EBUSY）。
• ​解决：检查 /proc/ioports 和 /proc/iomem，确保地址未被占用。

​(2) 地址映射失败

• ​原因：物理地址未正确映射或超出范围。
• ​验证：使用 iounmap 前检查 ioremap 返回值是否为 NULL。

​(3) 字节序问题

• ​注意：某些设备使用大端字节序，需使用 __raw_readl() 或字节序转换函数：

  u32 value = __raw_readl(regs);  // 直接读取，不进行字节序转换

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​总结

• ​I/O 端口：通过 in/out 指令操作独立地址空间，适用于传统设备。
• ​I/O 内存：将硬件寄存器映射到内存地址空间，通过 ioread/iowrite 访问，适用于现代设备。
• ​核心步骤：资源申请 → 地址映射 → 安全访问 → 清理释放。
• ​调试工具：/proc/ioports、/proc/iomem、devmem。

正确使用 I/O 端口和 I/O 内存，是驱动与硬件交互的基础能力。

参考：

1. linux 设备驱动编程 i o,Linux设备驱动之I/O端口与I/O内存-优快云博客