一文读懂Linux操作系统是如何管理I/O口 - 全文

 

一、I/O端口

端口（port）是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的。CPU通过这些地址即端口向接口电路中的寄存器发送命令，读取状态和传送数据。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。

 

二、I/O内存

例如，在PC上可以插上一块图形卡，有2MB的存储空间，甚至可能还带有ROM,其中装有可执行代码。

 

 

三、I/O端口和I/O内存的区分及联系

这两者如何区分就涉及到硬件知识，X86体系中，具有两个地址空间：I/O空间和内存空间，而RISC指令系统的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间，即内存空间。

 

内存空间：内存地址寻址范围，32位操作系统内存空间为2的32次幂，即4G。

 

I/O空间：X86特有的一个空间，与内存空间彼此独立的地址空间，32位X86有64K的I/O空间。

 

I/O端口：当寄存器或内存位于I/O空间时，称为I/O端口。一般寄存器也俗称I/O端口,或者说I/O ports,这个I/O端口可以被映射在Memory Space,也可以被映射在I/O Space。

 

I/O内存：当寄存器或内存位于内存空间时，称为I/O内存。

 

四、外设I/O端口物理地址的编址方式

 CPU对外设I/O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。

 

1、统一编址

 

RISC指令系统的CPU（如，PowerPC、m68k、ARM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。

 

统一编址也称为“I/O内存”方式，外设寄存器位于“内存空间”（很多外设有自己的内存、缓冲区，外设的寄存器和内存统称“I/O空间”）。

 

2、独立编址

 

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）。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。

 

独立编址也称为“I/O端口”方式，外设寄存器位于“I/O（地址）空间”。

 

3、优缺点

 

独立编址主要优点是：

 

1）I/O端口地址不占用存储器空间；使用专门的I／O指令对端口进行操作，I/O指令短，执行速度快。

2）并且由于专门I/O指令与存储器访问指令有明显的区别，使程序中I/O操作和存储器操作层次清晰，程序的可读性强。

3）同时，由于使用专门的I/O指令访问端口，并且I/O端口地址和存储器地址是分开的，故I/O端口地址和存储器地址可以重叠，而不会相互混淆。 

4）译码电路比较简单(因为I/0端口的地址空间一般较小，所用地址线也就较少)。

 

其缺点是：只能用专门的I/0指令，访问端口的方法不如访问存储器的方法多。

 

统一编址优点：

 

1）由于对I/O设备的访问是使用访问存储器的指令，所以指令类型多，功能齐全，这不仅使访问I/O端口可实现输入/输出操作，而且还可对端口内容进行算术逻辑运算，移位等等；

2）另外，能给端口有较大的编址空间，这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的。

 

这种方式的缺点是端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小，另外指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢。

 

究竟采用哪一种取决于系统的总体设计。在一个系统中也可以同时使用两种方式，前提是首先要支持I/O独立编址。Intel的x86微处理器都支持I/O 独立编址，因为它们的指令系统中都有I/O指令，并设置了可以区分I/O访问和存储器访问的控制信号引脚。而一些微处理器或单片机，为了减少引脚，从而减 少芯片占用面积，不支持I/O独立编址，只能采用存储器统一编址。