本文深入探讨了I/O操作的原理，包括I/O端口和I/O内存的使用，详细解析了硬件交互过程中的关键概念和技术细节。文章涵盖了设备驱动程序如何控制硬件，I/O端口与内存映射寄存器的区别，以及如何正确访问和管理I/O资源。
Table of Contents
9.1.1. I/O Registers and Conventional Memory
9.2.3. I/O Port Access from User Space
9.4.1. I/O Memory Allocation and Mapping
9.4.4. Reusing short for I/O Memory
本章开始讲一些跟hardware有关的操作，比如I/O port，register等。
device driver的角色要清楚，它只是中间层，向上有kernel，user application，向下就是actual hardware。作为driver，核心功能必然是驱动硬件。
9.1. I/O Ports and I/O Memory
每一个外设都要通过register来控制，大多数设备都有不止一个register，并且访问这些register的地址是连续，要么是IO地址空间，要么是内存地址空间。在实际haredware的角度，这二者没有本质区别，都是向地址总线和控制总线发送控制信号，并通过数据总线来读取。不过依赖于架构的实现，比如有些机构上device register和普通内存是统一的地址空间，有些是分开的。比如X86上，就有单独的总线来访问I/O port，并且有特殊的CPU指令访问这些ports。
因为所有的外设都要适配一定的总线，而这些总线已经集成在了PC中，为了支持IO port，某些没有单独IO port地址空间的CPU，甚至需要做一个fake的IO port读写。这种fake的IO读写，可以通过芯片组，也可以通过在CPU core中增加额外的模块，后者一般用在嵌入式系统中。
基于同样的原因，kernel为所有的platform都增加IO port概念的支持，即便某些架构上CPU支持统一寻址。而port的访问，有些情况下依赖于PC自己的实现。
尽管外设总线支持IO port，但是不是所有的设备都会把register map到IO port上。ISA外设通常会这么做，但是大部分PCI设备会把register map到内存地址空间。推荐使用内存地址空间，因为不需要特殊的CPU指令，而且CPU访问memory更高效，并且对编译器也更友好，因为只是访存指令，可以有针对性的优化。
9.1.1. I/O Registers and Conventional Memory
虽然硬件的IO register和memory看上去相似，但是IO reigster 的访问还是有一些特殊的地方。比如相对于普通的内存读写，IO的reigster读写会有副作用。CPU为了性能考虑，通常会对不会产生副作用的code进行优化，比如使用cache，以及指令乱序。在使用cache的情况下，CPU对某个变量的读写可能只是操作从cache，而不是变量对应的真正的physical memory。指令乱序，可能发生在编译阶段，也可能发生在硬件执行阶段，指令乱序对于硬件来说可以获得更高的performance。
正是因为CPU或者编译器会对指令进行的优化，可能导致读写register的顺序发生变化，最终和driver期待的行为不一致，从而出现问题。解决cache问题比较容易：只要底层硬件禁止对IO region（IO port或者内存地址访问）的访问进行cache就可以了；解决指令乱序的问题，需要driver自己调用kernel的一些接口来保证。kernel提供了一些函数来保证代码执行的时序：
#include <linux/kernel.h>
void barrier(void)barrier()：告诉编译器，此处插入一个memory的barrier，但是对hardware不起作用。加了barrier之后，compiler编译出的指令会把所有当前被修改的value写入到memory里面去，并且也存放在CPU的cache里，后续需要的时候再读。在barrier前后的代码不会被编译器乱序优化，但是hardware仍然可以按照它自己的顺序执行。
#include <asm/system.h>
//插入一个hardware的read barrier，保证再次之前的read全部完成。
void rmb(void);
//插入一个hardware的write barrier，保证再次之前的write全部完成。
void wmb(void);
//插入一个hardware的barrier，保证再次之前的read和write全部完成。
void mb(void);
//这个读比较特殊，也是read barrier的一种，但是只会把依赖于别人read数据的read做barrier。
void read_barrier_depends(void);
上面的几个函数，和barrier不同的，他们在编译出的指令里添加了一些hardware memory barrier，实际的指令可能依赖于具体的硬件实现。rmb：保证在rmb之前的读操作在rmb之后的读操作执行前全部完成。wmb：保证在wmb之前的写操作在wmb之后的写操作执行前全部完成。mb：mb同时完成rmb和wmb两个功能。这三个函数都是barrier的超集，也就说他们也都包含了barrier的功能。
//下面的几个只有SMP上才有效，否则就是一个barrier()。
void smp_rmb(void);
void smp_read_barrier_depends(void);
void smp_wmb(void);
void smp_mb(void);上面的几个函数，只有当kernel编译成支持SMP才会有效，否则等同于barrier。
device driver中一个典型的barrier的用法可能是这样的：
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);上面的例子中，为了保证所有的必要条件都ready（所有必要的寄存器已经全部写到hardware），使用一次wmb，保证所有的register都会写进去，然后kick off hardware，让hardware开始干活。
要注意，barrier是会影响performance的，只有确实需要的时候才加，并且要准确的使用barrier，比如挑选合适的barrier type等。例如，在x86架构上，当前wmb什么也不做，因为CPU默认不会对写操作进行指令乱序，所以wmb不需要做任何事；但是rmb不一样的，它会真的阻止CPU做指令乱序，所以从performance上看，会发现wmb比rmb要快。
另外，kernel中的一些同步原语也会起到barrier的作用，比如spinlock和atomic_t。kernel还提供了赋值加barrier的操作：
#include <asm/system.h>
#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 09.2. Using I/O Ports
在以前，很多device通过I/O Ports来访问寄存器。
9.2.1. I/O Port Allocation
首先，在使用port之前，要保证你是排他的访问，port不可以共享：
#include <linux/ioport.h>
struct resource *request_region(unsigned long first, unsigned long n, const char *name);调用这个函数，就是告诉kernel你要使用n个ports，第一个从first开始，name就是device的name，返回非零值表明获取IO port成功，如果返回NULL，driver不可以使用这个IO port。kernel中所有被打开的port都可以在/proc/ioports这里看到。
如果不需要port了（一般是在driver unload的时候），需要释放IO port：
void release_region(unsigned long start, unsigned long n);其实在获取port资源之前，可以向kernel query，查看port是否可用：
int check_region(unsigned long first, unsigned long n);但是这个函数已经废弃不用了，因为查询到可用，不代表等会儿你去分的时候仍然可用。
9.2.2. Manipulating I/O ports
在获取到port资源以后，就会读或者写这些port。对大多数device而言，读写可能是8/16/32 bit的，也就是每次读写的数据大小是固定的，并且需要调用不同的函数，这些函数不可以混用。有些架构不支持IO port，只支持memory access，kernel针对这些架构，会将IO port操作，map成对memory的access，并向上提供了统一的接口。这些接口有：
//byte的形式读写
unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsigned char byte, unsigned port);
//word的形式读写
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsigned short word, unsigned port);
//longword的形式读写，一般是32bit
unsigned inl(unsigned port);
void outl(unsigned longword, unsigned port);要注意的是，所有的IO port操作，最多就是32bit，即便是在64bit的机器上，IO的读写最多也只有32bit。
9.2.3. I/O Port Access from User Space
在user mode来访问IO port，这里不讲了。因为IO port用的没那么普遍，所以重点还是放在IO memory。
9.4. Using I/O Memory
I/O port的方式访问寄存器在以前比较常用，现在则使用I/O memory的方式。I/O memory包含两种：1，memory mapped register；2，device memory，这两种方式对于software来说没有什么区别，都是透明的。
I/O memory is simply a region of RAM-like locations that the device makes available to the processor over the bus. 按照LDD3里的定义，I/O memory类似于RAM，但又不是RAM，它是在device里的，并且通过bus可以被CPU读写。按照这种定义，I/O memory（register 和device memory）存在于device内部，并且通过bus暴露出来，CPU通过地址可以对I/O memory直接访问。
对I/O memory的访问方式，依赖于计算机架构，总线，以及使用的外设。这里将主要讨论ISA设备和PCI设备。
IO memory可以通过page 访问，也许不能，这取决于计算机platform或者使用的bus的不同。如果想通过page table的方式来访问，就需要kernel实现为I/O memory分配物理地址，并且通过ioremap对物理地址空间做过map，这样kernel的page table就有entry，从而可以像访问普通的memory一样访问IO memory。如果没有page table，只能使用类似于I/O port的方式来访问，也就是使用kernel提供的wrapper过的函数操作。
无论是否使用了ioremap，device driver都要尽量避免直接使用指向I/O memory的指针，虽然在hardware层面，I/O memory编址和物理内存是一样的，但是访问I/O memory时，还是有些区别要注意，在9.1.1中已经有所描述。推荐使用kernel里面的interface来访问。
9.4.1. I/O Memory Allocation and Mapping
I/O memory region必须先创建，才能使用：
#include <linux/ioport.h>
struct resource *request_mem_region(unsigned long start, unsigned long len, char *name);这个函数分配了一段I/O memory region，地址从start开始，大小为len byte，name就是device name。如果成功，返回non-NULL指针，如果失败，返回NULL。所有已经分配的IO memory在/proc/iomem下都可以看到。当I/O region不再使用时，需要释放：
void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);同样的，I/O memory region也有一个query的接口，已经废弃不用：
int check_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);在使用I/O memory region之前，需要确保这段地址kernel可以直接访问。其实在很多系统上，通过request_mem_region拿到的memory并不能直接被kernel访问，在访问之前，还需要做remap，下面的接口就是专门为访问I/O memory region而设计的，它会为I/O memory region分配一段虚拟地址：
#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);在map之后，kernel就可以访问到这段I/O memory region。但是，再次强调，不推荐直接使用ioremap返回的指针访问I/O memory region，而应该使用kernel提供的函数，这些函数在后面会列出来。
在上面ioremap的几个函数里，有一个ioremap_nocache，按照kernel的描述："It's useful if some control registers are in such an area, and write combining or read caching is not desirable." 实际上，这个函数的实现在大部分系统上和ioremap是一样的。
9.4.2. Accessing I/O Memory
ioremap会返回指针地址，但是kernel不推荐直接使用，应该使用wrapper：
//这里使用的addr，是ioremap返回的地址（可以加上offset）
//读
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
//写
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);
//如果要读写比较多的数据，可以使用repeate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);
//一次读写一个block
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);
//不推荐使用的一些函数
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);
void writeb(unsigned value, address);
void writew(unsigned value, address);
void writel(unsigned value, address);9.4.3. Ports as I/O Memory
有些hardware比较有意思，有些版本使用I/O port，有些版本使用I/O memory，暴露给kernel的register都是一样的，但是访问方式却不一样。为了减少这种差别造成的影响，kernel提供了一个函数：
void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);kernel会把count个port map出来，像一段I/O memory region一样。并且以后访问时，可以使用和I/O memory一样的访问方式。当I/O port不再使用时，要unmap：
void ioport_unmap(void *addr);当然，在使用I/O port之前要request_io_region才能访问I/O port。
9.4.4. Reusing short for I/O Memory
这里的short是LDD3的一个sample code，这里不再详述了。
9.4.5. ISA Memory Below 1 MB
kernel里有一段ISA的I/O memory region，地址在640K-1M，也就是0xA0000-0x100000之间，size是384KB。这段region位于RAM内部，主要是由于历史的原因，在1980s，640KB被认为是谁也不会用到的地址空间，因为它太大了。kernel在bootup的时候会把这段region做map，然后通过虚拟地址访问，但是如果device driver需要访问，仍然要通过ioremap的方式获取虚拟地址，然后访问。
这里是一个例子：
#define ISA_BASE 0xA0000
#define ISA_MAX 0x100000 /* for general memory access */
/* this line appears in silly_init */
io_base = ioremap(ISA_BASE, ISA_MAX - ISA_BASE);
case M_8:
while (count) {
*ptr = ioread8(add);
add++;
count--;
ptr++;
}
break;
case M_32:
while (count >= 4) {
iowrite8(*(u32 *)ptr, add);
add += 4;
count -= 4;
ptr += 4;
}
break;
case M_memcpy:
memcpy_fromio(ptr, add, count);
break;
//用完之后
iounmap(io_base);
9.4.6. isa_readb and Friends
kernel提供了一些可以直接访问ISA的接口，比如isa_readb等等，但是kernel以后可能会删除，不推荐使用。
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