基于Linux下的/O端口和I/O內(nèi)存詳解

一、I/O端口

端口（port）是接口電路中能被CPU直接訪(fǎng)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“I/O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)I/O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(fǎng)問(wèn)一個(gè)內(nèi)存單元那樣訪(fǎng)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(fǎng)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(fǎng)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(fǎng)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(xiàn)也就較少）。

其缺點(diǎn)是：只能用專(zhuān)門(mén)的I/0指令，訪(fǎng)問(wèn)端口的方法不如訪(fǎng)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(fǎng)問(wèn)是使用訪(fǎng)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(fǎng)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(fǎng)問(wèn)和存儲(chǔ)器訪(fǎng)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。