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20150222 IO端口映射和IO内存映射(详解S3C24XX_GPIO驱动)
2015-02-22 李海沿
刚刚我们实现了linux系统内存的分配，读写，释放功能，下面，我们一鼓作气将IO端口映射及IO内存映射搞定，加油！
（一）地址的概念
1）物理地址：CPU地址总线传来的地址，由硬件电路控制其具体含义。物理地址中很大一部分是留给内存条中的内存的，但也常被映射到其他存储器上（如显存、BIOS等）。在程序指令中的虚拟地址经过段映射和页面映射后，就生成了物理地址，这个物理地址被放到CPU的地址线上。
物理地址空间，一部分给物理RAM（内存）用，一部分给总线用，这是由硬件设计来决定的，因此在32 bits地址线的x86处理器中，物理地址空间是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因为还有一部分要给总线用（总线上还挂着别的许多设备）。在PC机中，一般是把低端物理地址给RAM用，高端物理地址给总线用。
2）总线地址：总线的地址线或在地址周期上产生的信号。外设使用的是总线地址，CPU使用的是物理地址。
物理地址与总线地址之间的关系由系统的设计决定的。在x86平台上，物理地址就是总线地址，这是因为它们共享相同的地址空间——这句话有点难理解，详见下面的"独立编址"。在其他平台上，可能需要转换/映射。比如：CPU需要访问物理地址是0xfa000的单元，那么在x86平台上，会产生一个PCI总线上对0xfa000地址的访问。因为物理地址和总线地址相同，所以凭眼睛看是不能确定这个地址是用在哪儿的，它或者在内存中，或者是某个卡上的存储单元，甚至可能这个地址上没有对应的存储器。
3）虚拟地址：现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（Virtual Memory Management）机制，这需要MMU（Memory Management Unit）的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片（物理内存）接收，这称为物理地址（Physical Address），如果处理器启用了MMU，CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address），而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将虚拟地址映射成物理地址。
Linux中，进程的4GB（虚拟）内存分为用户空间、内核空间。用户空间分布为0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于0xC0000000），剩下的1G为内核空间。程序员只能使用虚拟地址。系统中每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。
CPU发出取指令请求时的地址是当前上下文的虚拟地址，MMU再从页表中找到这个虚拟地址的物理地址，完成取指。同样读取数据的也是虚拟地址，比如mov ax, var. 编译时var就是一个虚拟地址，也是通过MMU从也表中来找到物理地址，再产生总线时序，完成取数据的。
（二）编址方式
1）外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的，外设寄存器也称为"I/O端口"，而IO端口有两种编址方式：独立编址和统一编制。
统一编址：外设接口中的IO寄存器（即IO端口）与主存单元一样看待，每个端口占用一个存储单元的地址，将主存的一部分划出来用作IO地址空间，如，在 PDP-11中，把最高的4K主存作为IO设备寄存器地址。端口占用了存储器的地址空间，使存储量容量减小。
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"）。
如，Samsung的S3C2440，是32位ARM处理器，它的4GB地址空间被外设、RAM等瓜分：
0x8000 1000 LED 8*8点阵的地址
0x4800 0000 ~ 0x6000 0000 SFR（特殊暂存器）地址空间
0x3800 1002 键盘地址
0x3000 0000 ~ 0x3400 0000 SDRAM空间
0x2000 0020 ~ 0x2000 002e IDE
0x1900 0300 CS8900
独立编址（单独编址）：IO地址与存储地址分开独立编址，I/0端口地址不占用存储空间的地址范围，这样，在系统中就存在了另一种与存储地址无关的IO地址，CPU也必须具有专用与输入输出操作的IO指令（IN、OUT等）和控制逻辑。独立编址下，地址总线上过来一个地址，设备不知道是给IO端口的、还是给存储器的，于是处理器通过MEMR/MEMW和IOR/IOW两组控制信号来实现对I/O端口和存储器的不同寻址。如，intel 80x86就采用单独编址，CPU内存和I/O是一起编址的，就是说内存一部分的地址和I/O地址是重叠的。
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"。
对于x86架构来说，通过IN/OUT指令访问。PC架构一共有65536个8bit的I/O端口，组成64K个I/O地址空间，编号从 0~0xFFFF，有16位，80x86用低16位地址线A0-A15来寻址。连续两个8bit的端口可以组成一个16bit的端口，连续4个组成一个 32bit的端口。I/O地址空间和CPU的物理地址空间是两个不同的概念，例如I/O地址空间为64K，一个32bit的CPU物理地址空间是4G。如，在Intel 8086+Redhat9.0 下用"more /proc/ioports"可看到：
|
0000-001f : dma1 |
不过Intel x86平台普通使用了名为内存映射（MMIO）的技术，该技术是PCI规范的一部分，IO设备端口被映射到内存空间，映射后，CPU访问IO端口就如同访问内存一样。看Intel TA 719文档给出的x86/x64系统典型内存地址分配表：
系统资源 占用
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BIOS 1M 本地APIC 4K 芯片组保留 2M IO APIC 4K PCI设备 256M PCI Express设备 256M PCI设备（可选） 256M 显示帧缓存 16M TSEG 1M |
对于某一既定的系统，它要么是独立编址、要么是统一编址，具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。 如，PowerPC、m68k等采用统一编址，而X86等则采用独立编址，存在IO空间的概念。目前，大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并 不提供I/O空间，仅有内存空间，可直接用地址、指针访问。但对于Linux内核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必须都要考虑这两种方式，于是它采 用一种新的方法，将基于I/O映射方式的或内存映射方式的I/O端口通称为"I/O区域"（I/O region），不论你采用哪种方式，都要先申请IO区域：request_resource()，结束时释放 它：release_resource()。
2）对外设的访问
1、访问I/O内存的流程是：request_mem_region() -> ioremap() -> ioread8()/iowrite8() -> iounmap() ->release_mem_region() 。
前面说过，IO内存是统一编址下的概念，对于统一编址，IO地址空间是物理主存的一部分，对于编程而言，我们只能操作虚拟内存，所以，访问的第一步就是要把设备所处的物理地址映射到虚拟地址，Linux2.6下用ioremap():
void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);
然后，我们可以直接通过指针来访问这些地址，但是也可以用Linux内核的一组函数来读写：
ioread8(), iowrite16(), ioread8_rep(), iowrite8_rep()......
2、访问I/O端口
访问IO端口有2种途径：I/O映射方式（I/O－mapped）、内存映射方式（Memory－mapped）。前一种途径不映射到内存空间，直接使用 intb()/outb()之类的函数来读写IO端口；后一种MMIO是先把IO端口映射到IO内存（"内存空间"），再使用访问IO内存的函数来访问 IO端口。
void ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);
通过这个函数，可以把port开始的count个连续的IO端口映射为一段"内存空间"，然后就可以在其返回的地址是像访问IO内存一样访问这些IO端口。
（三）Linux下的IO端口和IO内存
CPU对外设端口物理地址的编址方式有两种：一种是IO映射方式，另一种是内存映射方式。
Linux将基于IO映射方式的和内存映射方式的IO端口统称为IO区域（IO region）。
IO region仍然是一种IO资源，因此它仍然可以用resource结构类型来描述。
Linux管理IO region：
1) request_region()
把一个给定区间的IO端口分配给一个IO设备。
2) check_region()
检查一个给定区间的IO端口是否空闲，或者其中一些是否已经分配给某个IO设备。
3) release_region()
释放以前分配给一个IO设备的给定区间的IO端口。
Linux中可以通过以下辅助函数来访问IO端口：
inb(),inw(),inl(),outb(),outw(),outl()
"b""w""l"分别代表8位，16位，32位。
对IO内存资源的访问
1) request_mem_region()
请求分配指定的IO内存资源。
2) check_mem_region()
检查指定的IO内存资源是否已被占用。
3) release_mem_region()
释放指定的IO内存资源。
其中传给函数的start address参数是内存区的物理地址（以上函数参数表已省略）。
驱动开发人员可以将内存映射方式的IO端口和外设内存统一看作是IO内存资源。
ioremap()用来将IO资源的物理地址映射到内核虚地址空间（3GB - 4GB）中，参数addr是指向内核虚地址的指针。
Linux中可以通过以下辅助函数来访问IO内存资源：
readb(),readw(),readl(),writeb(),writew(),writel()。
Linux在kernel/resource.c文件中定义了全局变量ioport_resource和iomem_resource，来分别描述基于IO映射方式的整个IO端口空间和基于内存映射方式的IO内存资源空间（包括IO端口和外设内存）。
1）关于IO与内存空间：
在X86处理器中存在着I/O空间的概念，I/O空间是相对于内存空间而言的，它通过特定的指令in、out来访问。端口号标识了外设的寄存器地址。Intel语法的in、out指令格式为：
IN 累加器, {端口号│DX}
OUT {端口号│DX},累加器
目前，大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等中并不提供I/O空间，而仅存在内存空间。内存空间可以直接通过地址、指针来访问，程序和程序运行中使用的变量和其他数据都存在于内存空间中。
即便是在X86处理器中，虽然提供了I/O空间，如果由我们自己设计电路板，外设仍然可以只挂接在内存空间。此时，CPU可以像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I/O指令。因此，内存空间是必须的，而I/O空间是可选的。
（2）inb和outb：
在Linux设备驱动中，宜使用Linux内核提供的函数来访问定位于I/O空间的端口，这些函数包括：
· 读写字节端口（8位宽）
unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsigned char byte, unsigned port);
· 读写字端口（16位宽）
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsigned short word, unsigned port);
· 读写长字端口（32位宽）
unsigned inl(unsigned port);
void outl(unsigned longword, unsigned port);
· 读写一串字节
void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
· insb()从端口port开始读count个字节端口，并将读取结果写入addr指向的内存；outsb()将addr指向的内存的count个字节连续地写入port开始的端口。
· 读写一串字
void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
· 读写一串长字
void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
上述各函数中I/O端口号port的类型高度依赖于具体的硬件平台，因此，只是写出了unsigned。
以上知识点摘自： http://www.embeddedlinux.org.cn/html/yingjianqudong/201304/20-2556.html
这儿我不献丑了，因为上面的已经写的很好了。
（四）Linux下的IO端口和IO内存
由于我本人对IMX257的IO内存分配不太了解，曾经询问过很多周立功公司那些所谓的技术人员，每个人回答的答案都是，"你好,我们提供的资料就只是官网上的光盘资料了哦"，每次碰到这种话，我真的很无语，我只能说，好吧，只能说是我智商太低了，那些资料太高深了。
好了，废话也不多说了，这次，我就针对S3C24XX的gpio驱动程序来讲解io端口的分配。
1. 定义一些寄存器（数据寄存器，配置寄存器）
上图中，gpio_va就是我们GPIO的基址，是用来确定GPFCON配置寄存器和GPFDAT数据寄存器的指针地址的
，其初始化我们在init函数中会讲解。
2.在init函数中确定gpio基址
前面我们寄存器的正常作用的前提就是gpio_va这个基址，所以我们在init函数中分配IO端口
如图所示，将gpio的地址0x56000000这个io端口分配为gpio_va，这样也就确定了，前面的配置寄存器和数据寄存器。
3.在open函数中配置GPIO
和单片机程序一样，使用GPIO都要先配置GPIO，原理一样：
给GPIO引脚赋初值，以后对GPIO引脚的操作，直接用这个寄存器赋值就可以了
4.在exit函数中释放IO端口
使用完GPIO引脚后，要将我们申请的IO端口释放掉。
总结一下，很简单，申请，配置，释放
申请IO端口 à 配置GPIO端口为输出（入） à 给数据寄存器赋值（读取） à 释放IO端口
附上驱动程序：
1 #include <linux/module.h> 2 #include <linux/kernel.h> 3 #include <linux/fs.h> 4 #include <linux/init.h> 5 #include <linux/delay.h> 6 #include <asm/uaccess.h> 7 #include <asm/irq.h> 8 #include <asm/io.h> 9 #include <asm/arch/regs-gpio.h> 10 #include <asm/hardware.h> 11 12 #define DEVICE_NAME "leds" 13 /* 加载模式后，执行”cat /proc/devices”命令看到的设备名称 */ 14 #define LED_MAJOR 231 /* 主设备号 */ 15 16 static struct class *leds_class; 17 static struct class_device *leds_class_devs[4]; 18 19 /* bit0<=>D10, 0:亮, 1:灭 20 * bit1<=>D11, 0:亮, 1:灭 21 * bit2<=>D12, 0:亮, 1:灭 22 */ 23 static char leds_status = 0x0; 24 static DECLARE_MUTEX(leds_lock); // 定义赋值 25 26 //static int minor; 27 static unsigned long gpio_va; //gpio基址 28 #define GPIO_OFT(x) ((x) - 0x56000000) 29 //GPIO 配置寄存器 30 #define GPFCON (*(volatile unsigned long *)(gpio_va + GPIO_OFT(0x56000050))) 31 //GPIO 数据寄存器 32 #define GPFDAT (*(volatile unsigned long *)(gpio_va + GPIO_OFT(0x56000054))) 33 /* 应用程序对设备文件/dev/leds执行open(...)时， 34 * 就会调用s3c24xx_leds_open函数 35 */ 36 static int s3c24xx_leds_open(struct inode *inode, struct file *file) 37 { 38 int minor = MINOR(inode->i_rdev); //MINOR(inode->i_cdev); 39 switch(minor) 40 { 41 case 0: /* /dev/leds */ 42 { 43 // 配置3引脚为输出 44 //s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF4, S3C2410_GPF4_OUTP); 45 GPFCON &= ~(0x3<<(4*2)); 46 GPFCON |= (1<<(4*2)); 47 48 //s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF5, S3C2410_GPF5_OUTP); 49 GPFCON &= ~(0x3<<(5*2)); 50 GPFCON |= (1<<(5*2)); 51 52 //s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF6, S3C2410_GPF6_OUTP); 53 GPFCON &= ~(0x3<<(6*2)); 54 GPFCON |= (1<<(6*2)); 55 56 // 都输出0 57 //s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF4, 0); 58 GPFDAT &= ~(1<<4); 59 60 //s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF5, 0); 61 GPFDAT &= ~(1<<5); 62 //s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF6, 0); 63 GPFDAT &= ~(1<<6); 64 65 down(&leds_lock); 66 leds_status = 0x0; 67 up(&leds_lock); 68 69 break; 70 } 71 72 case 1: /* /dev/led1 */ 73 { 74 s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF4, S3C2410_GPF4_OUTP); 75 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF4, 0); 76 77 down(&leds_lock); 78 leds_status &= ~(1<<0); 79 up(&leds_lock); 80 81 break; 82 } 83 84 case 2: /* /dev/led2 */ 85 { 86 s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF5, S3C2410_GPF5_OUTP); 87 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF5, 0); 88 leds_status &= ~(1<<1); 89 break; 90 } 91 92 case 3: /* /dev/led3 */ 93 { 94 s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF6, S3C2410_GPF6_OUTP); 95 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF6, 0); 96 97 down(&leds_lock); 98 leds_status &= ~(1<<2); 99 up(&leds_lock); 100 101 break; 102 } 103 } 104 return 0; 105 } 106 static int s3c24xx_leds_read(struct file *filp, char __user *buff, 107 size_t count, loff_t *offp) 108 { 109 int minor = MINOR(filp->f_dentry->d_inode->i_rdev); 110 char val; 111 112 switch (minor) 113 { 114 case 0: /* /dev/leds */ 115 { 116 copy_to_user(buff, (const void *)&leds_status, 1); 117 break; 118 } 119 case 1: /* /dev/led1 */ 120 { 121 down(&leds_lock); 122 val = leds_status & 0x1; 123 up(&leds_lock); 124 copy_to_user(buff, (const void *)&val, 1); 125 break; 126 } 127 case 2: /* /dev/led2 */ 128 { 129 down(&leds_lock); 130 val = (leds_status>>1) & 0x1; 131 up(&leds_lock); 132 copy_to_user(buff, (const void *)&val, 1); 133 break; 134 } 135 case 3: /* /dev/led3 */ 136 { 137 down(&leds_lock); 138 val = (leds_status>>2) & 0x1; 139 up(&leds_lock); 140 copy_to_user(buff, (const void *)&val, 1); 141 break; 142 } 143 } 144 return 1; 145 } 146 static ssize_t s3c24xx_leds_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos) 147 { 148 //int minor = MINOR(inode->i_rdev); //MINOR(inode->i_cdev); 149 int minor = MINOR(file->f_dentry->d_inode->i_rdev); 150 char val; 151 copy_from_user(&val, buf, 1); 152 switch (minor) 153 { 154 case 0: /* /dev/leds */ 155 { 156 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF4, (val & 0x1)); 157 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF5, (val & 0x1)); 158 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF6, (val & 0x1)); 159 down(&leds_lock); 160 leds_status = val; 161 up(&leds_lock); 162 break; 163 } 164 case 1: /* /dev/led1 */ 165 { 166 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF4, val); 167 if (val == 0) 168 { 169 down(&leds_lock); 170 leds_status &= ~(1<<0); 171 up(&leds_lock); 172 } 173 else 174 { 175 down(&leds_lock); 176 leds_status |= (1<<0); 177 up(&leds_lock); 178 } 179 break; 180 } 181 case 2: /* /dev/led2 */ 182 { 183 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF5, val); 184 if (val == 0) 185 { 186 down(&leds_lock); 187 leds_status &= ~(1<<1); 188 up(&leds_lock); 189 } 190 else 191 { 192 down(&leds_lock); 193 leds_status |= (1<<1); 194 up(&leds_lock); 195 } 196 break; 197 } 198 case 3: /* /dev/led3 */ 199 { 200 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF6, val); 201 if (val == 0) 202 { 203 down(&leds_lock); 204 leds_status &= ~(1<<2); 205 up(&leds_lock); 206 } 207 else 208 { 209 down(&leds_lock); 210 leds_status |= (1<<2); 211 up(&leds_lock); 212 } 213 break; 214 } 215 } 216 return 1; 217 } 218 /* 这个结构是字符设备驱动程序的核心 219 * 当应用程序操作设备文件时所调用的open、read、write等函数， 220 * 最终会调用这个结构中指定的对应函数 221 */ 222 static struct file_operations s3c24xx_leds_fops = { 223 .owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */ 224 .open = s3c24xx_leds_open, 225 .read = s3c24xx_leds_read, 226 .write = s3c24xx_leds_write, 227 }; 228 229 /* 230 * 执行insmod命令时就会调用这个函数 231 */ 232 static int __init s3c24xx_leds_init(void) 233 { 234 int ret; 235 int minor = 0; 236 237 gpio_va = ioremap(0x56000000, 0x100000); 238 if (!gpio_va) { 239 return -EIO; 240 } 241 /* 注册字符设备 242 * 参数为主设备号、设备名字、file_operations结构； 243 * 这样，主设备号就和具体的file_operations结构联系起来了， 244 * 操作主设备为LED_MAJOR的设备文件时，就会调用s3c24xx_leds_fops中的相关成员函数 245 * LED_MAJOR可以设为0，表示由内核自动分配主设备号 246 */ 247 ret = register_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME, &s3c24xx_leds_fops); 248 if (ret < 0) { 249 printk(DEVICE_NAME " can‘t register major number\n"); 250 return ret; 251 } 252 leds_class = class_create(THIS_MODULE, "leds"); 253 if (IS_ERR(leds_class)) 254 return PTR_ERR(leds_class); 255 256 leds_class_devs[0] = class_device_create(leds_class, NULL, MKDEV(LED_MAJOR, 0), NULL, "leds"); 257 258 for (minor = 1; minor < 4; minor++) 259 { 260 leds_class_devs[minor] = class_device_create(leds_class, NULL, MKDEV(LED_MAJOR, minor), NULL, "led%d", minor); 261 if (unlikely(IS_ERR(leds_class_devs[minor]))) 262 return PTR_ERR(leds_class_devs[minor]); 263 } 264 265 printk(DEVICE_NAME " initialized\n"); 266 return 0; 267 } 268 269 /* 270 * 执行rmmod命令时就会调用这个函数 271 */ 272 static void __exit s3c24xx_leds_exit(void) 273 { 274 int minor; 275 /* 卸载驱动程序 */ 276 unregister_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME); 277 278 for (minor = 0; minor < 4; minor++) 279 { 280 class_device_unregister(leds_class_devs[minor]); 281 } 282 class_destroy(leds_class); 283 //释放IO端口 284 iounmap(gpio_va); 285 } 286 287 /* 这两行指定驱动程序的初始化函数和卸载函数 */ 288 module_init(s3c24xx_leds_init); 289 module_exit(s3c24xx_leds_exit); 290 291 /* 描述驱动程序的一些信息，不是必须的 */ 292 MODULE_LICENSE("GPL");
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