一、端口

端口(port)是接口電路中能被CPU直接訪問(wèn)的寄存器的地址。幾乎每一種外設(shè)都是通過(guò)讀寫(xiě)設(shè)備上的寄存器來(lái)進(jìn)行的。CPU通過(guò)這些地址即端口向接口電路中的寄存器發(fā)送命令，讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。外設(shè)寄存器也稱(chēng)為“端口”，通常包括：控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器三大類(lèi)，而且一個(gè)外設(shè)的寄存器通常被連續(xù)地編址。

二、IO內(nèi)存

例如，在PC上可以插上一塊圖形卡，有2MB的存儲(chǔ)空間，甚至可能還帶有ROM,其中裝有可執(zhí)行代碼。

三、IO端口和IO內(nèi)存的區(qū)分及聯(lián)系

這兩者如何區(qū)分就涉及到硬件知識(shí)，X86體系中，具有兩個(gè)地址空間：IO空間和內(nèi)存空間，而RISC指令系統(tǒng)的CPU(如ARM、PowerPC等)通常只實(shí)現(xiàn)一個(gè)物理地址空間，即內(nèi)存空間。

內(nèi)存空間：內(nèi)存地址尋址范圍，32位操作系統(tǒng)內(nèi)存空間為2的32次冪，即4G。

IO空間：X86特有的一個(gè)空間，與內(nèi)存空間彼此獨(dú)立的地址空間，32位X86有64K的IO空間。

IO端口：當(dāng)寄存器或內(nèi)存位于IO空間時(shí)，稱(chēng)為IO端口。一般寄存器也俗稱(chēng)端口,或者說(shuō)I/O ports,這個(gè)I/O端口可以被映射在Memory Space,也可以被映射在I/O Space。

IO內(nèi)存：當(dāng)寄存器或內(nèi)存位于內(nèi)存空間時(shí)，稱(chēng)為IO內(nèi)存。

四、外設(shè)IO端口物理地址的編址方式

CPU對(duì)外設(shè)IO端口物理地址的編址方式有兩種：一種是I/O映射方式(I/O-mapped)，另一種是內(nèi)存映射方式(Memory-mapped)。而具體采用哪一種則取決于CPU的體系結(jié)構(gòu)。

1、統(tǒng)一編址

RISC指令系統(tǒng)的CPU(如，PowerPC、m68k、ARM等)通常只實(shí)現(xiàn)一個(gè)物理地址空間(RAM)。在這種情況下，外設(shè)I/O端口的物理地址就被映射到CPU的單一物理地址空間中，而成為內(nèi)存的一部分。此時(shí)，CPU可以象訪問(wèn)一個(gè)內(nèi)存單元那樣訪問(wèn)外設(shè)I/O端口，而不需要設(shè)立專(zhuān)門(mén)的外設(shè)I/O指令。

統(tǒng)一編址也稱(chēng)為“I/O內(nèi)存”方式，外設(shè)寄存器位于“內(nèi)存空間”(很多外設(shè)有自己的內(nèi)存、緩沖區(qū)，外設(shè)的寄存器和內(nèi)存統(tǒng)稱(chēng)“I/O空間”)。

2、獨(dú)立編址

而另外一些體系結(jié)構(gòu)的CPU(典型地如X86)則為外設(shè)專(zhuān)門(mén)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單獨(dú)地地址空間，稱(chēng)為“I/O地址空間”或者“I/O端口空間”。這是一個(gè)與CPU地RAM物理地址空間不同的地址空間，所有外設(shè)的I/O端口均在這一空間中進(jìn)行編址。CPU通過(guò)設(shè)立專(zhuān)門(mén)的I/O指令(如X86的IN和OUT指令)來(lái)訪問(wèn)這一空間中的地址單元(也即I/O端口)。與RAM物理地址空間相比，I/O地址空間通常都比較小，如x86 CPU的I/O空間就只有64KB(0-0xffff)。這是“I/O映射方式”的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

獨(dú)立編址也稱(chēng)為“I/O端口”方式，外設(shè)寄存器位于“I/O(地址)空間”。

3、優(yōu)缺點(diǎn)

獨(dú)立編址主要優(yōu)點(diǎn)是：

1)I/O端口地址不占用存儲(chǔ)器空間;使用專(zhuān)門(mén)的I/O指令對(duì)端口進(jìn)行操作，I/O指令短，執(zhí)行速度快。

2)并且由于專(zhuān)門(mén)I/O指令與存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令有明顯的區(qū)別，使程序中I/O操作和存儲(chǔ)器操作層次清晰，程序的可讀性強(qiáng)。

3)同時(shí)，由于使用專(zhuān)門(mén)的I/O指令訪問(wèn)端口，并且I/O端口地址和存儲(chǔ)器地址是分開(kāi)的，故I/O端口地址和存儲(chǔ)器地址可以重疊，而不會(huì)相互混淆。

4)譯碼電路比較簡(jiǎn)單(因?yàn)镮/0端口的地址空間一般較小，所用地址線也就較少)。

其缺點(diǎn)是：只能用專(zhuān)門(mén)的I/0指令，訪問(wèn)端口的方法不如訪問(wèn)存儲(chǔ)器的方法多。

統(tǒng)一編址優(yōu)點(diǎn)：

1)由于對(duì)I/O設(shè)備的訪問(wèn)是使用訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令，所以指令類(lèi)型多，功能齊全，這不僅使訪問(wèn)I/O端口可實(shí)現(xiàn)輸入/輸出操作，而且還可對(duì)端口內(nèi)容進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，移位等等;

2)另外，能給端口有較大的編址空間，這對(duì)大型控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是很有意義的。

這種方式的缺點(diǎn)是端口占用了存儲(chǔ)器的地址空間，使存儲(chǔ)器容量減小，另外指令長(zhǎng)度比專(zhuān)門(mén)I/O指令要長(zhǎng)，因而執(zhí)行速度較慢。

究竟采用哪一種取決于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。在一個(gè)系統(tǒng)中也可以同時(shí)使用兩種方式，前提是首先要支持I/O獨(dú)立編址。Intel的x86微處理器都支持I/O 獨(dú)立編址，因?yàn)樗鼈兊闹噶钕到y(tǒng)中都有I/O指令，并設(shè)置了可以區(qū)分I/O訪問(wèn)和存儲(chǔ)器訪問(wèn)的控制信號(hào)引腳。而一些微處理器或單片機(jī)，為了減少引腳，從而減 少芯片占用面積，不支持I/O獨(dú)立編址，只能采用存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。

五、下訪問(wèn)IO端口

對(duì)于某一既定的系統(tǒng)，它要么是獨(dú)立編址、要么是統(tǒng)一編址，具體采用哪一種則取決于CPU的體系結(jié)構(gòu)。 如，PowerPC、m68k等采用統(tǒng)一編址，而X86等則采用獨(dú)立編址，存在IO空間的概念。

目前，大多數(shù)嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并不提供I/O空間，僅有內(nèi)存空間，可直接用地址、指針訪問(wèn)。但對(duì)于內(nèi)核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必須都要考慮這兩種方式，于是它采用一種新的方法，將基于I/O映射方式的或內(nèi)存映射方式的I/O端口通稱(chēng)為“I/O區(qū)域”(I/O region)，不論你采用哪種方式，都要先申請(qǐng)IO區(qū)域：request_resource()，結(jié)束時(shí)釋放它：release_resource()。

IO region是一種IO資源，因此它可以用resource結(jié)構(gòu)類(lèi)型來(lái)描述。

訪問(wèn)IO端口有2種途徑：I/O映射方式(I/O-mapped)、內(nèi)存映射方式(Memory-mapped)。前一種途徑不映射到內(nèi)存空間，直接使用 intb()/outb()之類(lèi)的函數(shù)來(lái)讀寫(xiě)IO端口;后一種MMIO是先把IO端口映射到IO內(nèi)存(“內(nèi)存空間”)，再使用訪問(wèn)IO內(nèi)存的函數(shù)來(lái)訪問(wèn) IO端口。

1、I/O映射方式

直接使用IO端口操作函數(shù)：在設(shè)備打開(kāi)或驅(qū)動(dòng)模塊被加載時(shí)申請(qǐng)IO端口區(qū)域，之后使用inb(),outb()等進(jìn)行端口訪問(wèn)，最后在設(shè)備關(guān)閉或驅(qū)動(dòng)被卸載時(shí)釋放IO端口范圍。

in、out、ins和outs匯編語(yǔ)言指令都可以訪問(wèn)I/O端口。內(nèi)核中包含了以下輔助函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化這種訪問(wèn)：

inb( )、inw( )、inl( )

分別從I/O端口讀取1、2或4個(gè)連續(xù)字節(jié)。后綴“b”、“w”、“l”分別代表一個(gè)字節(jié)(8位)、一個(gè)字(16位)以及一個(gè)長(zhǎng)整型(32位)。

inb_p( )、inw_p( )、inl_p( )

分別從I/O端口讀取1、2或4個(gè)連續(xù)字節(jié)，然后執(zhí)行一條“啞元(dummy，即空指令)”指令使CPU暫停。

outb( )、outw( )、outl( )

分別向一個(gè)I/O端口寫(xiě)入1、2或4個(gè)連續(xù)字節(jié)。

outb_p( )、outw_p( )、outl_p( )

分別向一個(gè)I/O端口寫(xiě)入1、2或4個(gè)連續(xù)字節(jié)，然后執(zhí)行一條“啞元”指令使CPU暫停。

insb( )、insw( )、insl( )

分別從I/O端口讀入以1、2或4個(gè)字節(jié)為一組的連續(xù)字節(jié)序列。字節(jié)序列的長(zhǎng)度由該函數(shù)的參數(shù)給出。

outsb( )、outsw( )、outsl( )

分別向I/O端口寫(xiě)入以1、2或4個(gè)字節(jié)為一組的連續(xù)字節(jié)序列。

流程如下：