Linux 设备驱动IO操作

每个外设都是通过读写其寄存器来控制的。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。

根据CPU体系结构的不同，CPU对IO端口的编址方式有两种：

（1）I/O映射方式（I/O-mapped）

典型地，如X86处理器将外设的寄存器看成一个独立的地址空间(称为"I/O地址空间"或者"I/O端口空间")，所以访问内存的指令不能用来访问这些寄存器，而要为对外设寄存器的读／写设置专用指令，如IN和OUT指令。

（2）内存映射方式（Memory-mapped）

RISC指令系统的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间，外设I/O端口成为内存的一部分,寄存器参与内存统一编址。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。

在多设备的情况下，有可能某个端口或地址是复用的，不加保护直接访问会出错。操作系统提供了这样一套保护机制，在申请过了的IO端口/地址不允许再次被申请(request_region用于申请IO端口号，request_mem_region用于申请IO地址)。

1.I/O映射方式(案例：/driver/char/pc8736x_gpio.c)

void request_region(unsigned long from, unsigned long num, const char *name)

from:io端口的基地址。 num:io端口占用的范围。 name:使用这段io地址的设备名。

这个函数用来申请一块IO端口区域。如果这段I/O端口没有被占用，在我们的驱动程序中就可以使用它。在使用之前，必须向系统登记，以防止被其他程序占用。登记后，在/proc/ioports文件中可以看到你登记的io口。就可以放心地用inb()， outb()之类的函来访问了。 request_region()用于内核为驱动“分配”端口，这里分配的意思是，记录该端口已经被某个进程使用，要是其它进程试图访问它，就会产生“忙”错误。所以目的在于实现资源的互斥访问。

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

用完I/O端口后(可能在模块卸载时)，应当调用release_region将I/O端口返还给系统。参数start和n应与之前传递给request_region一致.

在驱动成功请求到I/O 端口后，就可以读写这些端口了。大部分硬件会将8位、16位和32位端口区分开，无法像访问内存那样混淆使用。驱动程序必须调用不同的函数来访问不同大小的端口。Linux 内核头文件(体系依赖的头文件<asm/io.h>) 定义了下列内联函数来存取I/O端口:

unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsigned char byte, unsigned port);
读或写字节端口( 8 位宽 ). 有些体系将port参数定义为unsigned long；而有些平台则将它定义为unsigned short。inb的返回类型也是依赖体系的
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsigned short word, unsigned port);
这些函数存取 16-位 端口( 一个字宽 ); 
unsigned inl(unsigned port);
void outl(unsigned long word, unsigned port);
这些函数存取 32-位 端口.

除了一次传递一个数据的I/O操作, 一些处理器实现了特殊的指令来传送一系列字节, 字, 或者长字 到 I/O 端口. 这是所谓的字串指令, 并且它们完成任务比一个 C 语言循环能做的更快. 如果目标处理器没有进行字串 I/O 的指令,字串指令通过执行一个紧凑的循环实现。
字串函数的原型是:
void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
读或写从内存地址 addr 开始的 count 字节. 数据读自或者写入单个 port 端口.
void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
读或写 16-位 值到一个单个 16-位 端口.
void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
读或写 32-位 值到一个单个 32-位 端口.

由于处理器的速率可能与外设（尤其是低速设备）的并不匹配，当处理器过快地传送数据到或自总线时，这时可能就会引起问题。解决方法是：如果在I/O 指令后面紧跟着另一个相似的I/O 指令，就必须插入一个小的延时。为此，Linux提供了暂停式I/O操作函数，这些函数的名子只是在非暂停式I/O操作函数（前面提到的那些I/O操作函数都是非暂停式的）名后加上_p ，如inb_p、outb_p等。大部分体系都支持这些函数，尽管它们常常被扩展为与非暂停 I/O 同样的代码，因为如果体系使用一个合理的现代外设总线，没有必要额外暂停。

2.内存映射方式(案例:/sound/soc/samsung/pcm.c)

尽管 I/O 端口在x86世界中非常流行，但是用来和设备通讯的主要机制是通过内存映射的寄存器和设备内存，两者都称为I/O 内存，因为寄存器和内存之间的区别对软件是透明的。

I/O 内存仅仅是一个类似于RAM 的区域，处理器通过总线访问该区域，以实现对设备的访问。同样，读写这个区域是有边际效应。

根据计算机体系和总线不同，I/O 内存可分为可以或者不可以通过页表来存取。若通过页表存取，内核必须先重新编排物理地址，使其对驱动程序可见，这就意味着在进行任何I/O操作之前，你必须调用ioremap；如果不需要页表，I/O内存区域就类似于I/O端口，你可以直接使用适当的I/O函数读写它们。

由于边际效应的缘故，不管是否需要 ioremap，都不鼓励直接使用I/O内存指针，而应使用专门的I/O内存操作函数。这些I/O内存操作函数不仅在所有平台上是安全，而且对直接使用指针操作 I/O 内存的情况进行了优化。

I/O 内存区必须在使用前分配. 分配内存区的接口是( 在 <linux/ioport.h> 定义):
struct resource *request_mem_region(unsigned long start, unsigned long len, char *name);
这个函数分配一个 len 字节的内存区, 从 start 开始. 如果一切顺利, 一个 非 NULL 指针返回; 否则返回值是 NULL. 所有的 I/O 内存分配来 /proc/iomem 中列出.
内存区在不再需要时应当释放:
void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);
还有一个旧的检查 I/O 内存区可用性的函数:
int check_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);
但是, 对于 check_region, 这个函数是不安全和应当避免的.

在访问I/O内存之前，分配I/O内存并不是唯一要求的步骤，你还必须保证内核可存取该I/O内存。访问I/O内存并不只是简单解引用指针，在许多体系中，I/O 内存无法以这种方式直接存取。因此，还必须通过ioremap 函数设置一个映射。

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

ioremap用于将I/O内存区映射到虚拟地址。参数phys_addr为要映射的I/O内存起始地址，参数size为要映射的I/O内存的大小，返回值为被映射到的虚拟地址

void *ioremap_nocache(unsigned long phys_addr, unsigned long size);

ioremap_nocache为ioremap的无缓存版本。实际上，在大部分体系中，ioremap与ioremap_nocache的实现一样的，因为所有 I/O 内存都是在无缓存的内存地址空间中
void iounmap(void * addr);

iounmap用于释放不再需要的映射

经过 ioremap (和iounmap)之后，设备驱动就可以存取任何I/O内存地址。注意，ioremap返回的地址不可以直接解引用；相反，应当使用内核提供的访问函数。

unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
这里, addr 应当是从 ioremap 获得的地址(也许与一个整型偏移); 返回值是从给定 I/O 内存读取的.
有类似的一系列函数来写 I/O 内存:
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);
如果你必须读和写一系列值到一个给定的 I/O 内存地址, 你可以使用这些函数的重复版本:
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);
这些函数读或写 count 值从给定的 buf 到 给定的 addr. 注意 count 表达为在被写入的数据大小; ioread32_rep 读取 count 32-位值从 buf 开始.

如果你通览内核源码, 你可看到许多调用旧的一套函数, 当使用 I/O 内存时. 这些函数仍然可以工作, 但是它们在新代码中的使用不鼓励. 除了别的外, 它们较少安全因为它们不进行同样的类型检查. 但是, 我们在这里描述它们:
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);
这些宏定义用来从 I/O 内存获取 8-位, 16-位, 和 32-位 数据值.
void writeb(unsigned value, address);
void writew(unsigned value, address);
void writel(unsigned value, address);
如同前面的函数, 这些函数(宏)用来写 8-位, 16-位, 和 32-位数据项.