LINUX設(shè)備驅(qū)動程序如何與硬件通信

　　LINUX設(shè)備驅(qū)動程序是怎么樣和硬件通信的?下面將由學(xué)習(xí)啦小編帶大家來解答這個疑問吧，希望對大家有所收獲!

　　LINUX設(shè)備驅(qū)動程序與硬件設(shè)備之間的通信

　　設(shè)備驅(qū)動程序是軟件概念和硬件電路之間的一個抽象層，因此兩方面都要討論。到目前為止，我們已經(jīng)討論詳細(xì)討論了軟件概念上的一些細(xì)節(jié)，現(xiàn)在討論另一方面，介紹驅(qū)動程序在Linux上如何在保持可移植性的前提下訪問I/O端口和I/O內(nèi)存。

　　我們在需要示例的場合會使用簡單的數(shù)字I/O端口來講解I/O指令，并使用普通的幀緩沖區(qū)顯存來講解內(nèi)存映射I/O。

　　I/O端口和I/O內(nèi)存

　　計算機對每種外設(shè)都是通過讀寫它的寄存器進行控制的。大部分外設(shè)都有幾個寄存器，不管是在內(nèi)存地址空間還是在I/O地址空間，這些寄存器的訪問地址都是連續(xù)的。

　　I/O端口就是I/O端口，設(shè)備會把寄存器映射到I/O端口，不管處理器是否具有獨立的I/O端口地址空間。即使沒有在訪問外設(shè)時也要模擬成讀寫I/O端口。

　　I/O內(nèi)存是設(shè)備把寄存器映射到某個內(nèi)存地址區(qū)段(如PCI設(shè)備)。這種I/O內(nèi)存通常是首先方案，它不需要特殊的處理器指令，而且CPU核心訪問內(nèi)存更有效率。

　　I/O寄存器和常規(guī)內(nèi)存

　　盡管硬件寄存器和內(nèi)存非常相似，但程序員在訪問I/O寄存器的時候必須注意避免由于CPU或編譯器不恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化而改變預(yù)期的I/O動作。

　　I/O寄存器和RAM最主要的區(qū)別就是I/O操作具有邊際效應(yīng)，而內(nèi)存操作則沒有：由于內(nèi)存沒有邊際效應(yīng)，所以可以用多種方法進行優(yōu)化，如使用高速緩存保存數(shù)值、重新排序讀/寫指令等。

　　編譯器能夠?qū)?shù)值緩存在CPU寄存器中而不寫入內(nèi)存，即使儲存數(shù)據(jù)，讀寫操作也都能在高速緩存中進行而不用訪問物理RAM。無論是在編譯器一級或是硬件一級，指令的重新排序都有可能發(fā)生：一個指令序列如果以不同于程序文本中的次序運行常常能執(zhí)行得更快。

　　在對常規(guī)內(nèi)存進行這些優(yōu)化的時候，優(yōu)化過程是透明的，而且效果良好，但是對I/O操作來說這些優(yōu)化很可能造成致命的錯誤，這是因為受到邊際效應(yīng)的干擾，而這卻是驅(qū)動程序訪問I/O寄存器的主要目的。處理器無法預(yù)料某些其它進程(在另一個處理器上運行，或在在某個I/O控制器中發(fā)生的操作)是否會依賴于內(nèi)存訪問的順序。編譯器或CPU可能會自作聰明地重新排序所要求的操作，結(jié)果會發(fā)生奇怪的錯誤，并且很難調(diào)度。因此，驅(qū)動程序必須確保不使用高速緩沖，并且在訪問寄存器時不發(fā)生讀或?qū)懼噶畹闹匦屡判颉?/p>

　　由硬件自身引起的問題很解決：只要把底層硬件配置成(可以是自動的或是由Linux初始化代碼完成)在訪問I/O區(qū)域(不管是內(nèi)存還是端口)時禁止硬件緩存即可。

　　由編譯器優(yōu)化和硬件重新排序引起的問題的解決辦法是：對硬件(或其他處理器)必須以特定順序的操作之間設(shè)置內(nèi)存屏障(memory barrier)。Linux提供了4個宏來解決所有可能的排序問題：

　　#include <linux/kernel.h>

　　void barrier(void)

　　這個函數(shù)通知編譯器插入一個內(nèi)存屏障，但對硬件沒有影響。編譯后的代碼會把當(dāng)前CPU寄存器中的所有修改過的數(shù)值保存到內(nèi)存中，需要這些數(shù)據(jù)的時候再重新讀出來。對barrier的調(diào)用可避免在屏障前后的編譯器優(yōu)化，但硬件完成自己的重新排序。

　　#include <asm/system.h>

　　void rmb(void);

　　void read_barrier_depends(void);

　　void wmb(void);

　　void mb(void);

　　這些函數(shù)在已編譯的指令流中插入硬件內(nèi)存屏障;具體實現(xiàn)方法是平臺相關(guān)的。rmb(讀內(nèi)存屏障)保證了屏障之前的讀操作一定會在后來的讀操作之前完成。wmb保證寫操作不會亂序，mb指令保證了兩者都不會。這些函數(shù)都是barrier的超集。

　　void smp_rmb(void);

　　void smp_read_barrier_depends(void);

　　void smp_wmb(void);

　　void smp_mb(void);

　　上述屏障宏版本也插入硬件屏障，但僅僅在內(nèi)核針對SMP系統(tǒng)編譯時有效;在單處理器系統(tǒng)上，它們均會被擴展為上面那些簡單的屏障調(diào)用。

　　設(shè)備驅(qū)動程序中使用內(nèi)存屏障的典型形式如下：

　　writel(dev->registers.addr, io_destination_address);

　　writel(dev->registers.size, io_size);

　　writel(dev->registers.operation, DEV_READ);

　　wmb();

　　writel(dev->registers.control, DEV_GO);

　　在這個例子中，最重要的是要確?？刂颇撤N特定操作的所有設(shè)備寄存器一定要在操作開始之前已被正確設(shè)置。其中的內(nèi)存屏障會強制寫操作以要求的順序完成。

　　因為內(nèi)存屏障會影響系統(tǒng)性能，所以應(yīng)該只用于真正需要的地方。不同類型的內(nèi)存屏障對性能的影響也不盡相同，所以最好盡可能使用最符合需要的特定類型。

　　值得注意的是，大多數(shù)處理同步的內(nèi)核原語，如自旋鎖和atomic_t操作，也能作為內(nèi)存屏障使用。同時還需要注意，某些外設(shè)總線(比如PCI總線)存在自身的高速緩存問題，我們將在后面的章節(jié)中討論相關(guān)問題。

　　在某些體系架構(gòu)上，允許把賦值語句和內(nèi)存屏障進行合并以提高效率。內(nèi)核提供了幾個執(zhí)行這種合并的宏，在默認(rèn)情況下，這些宏的定義如下：

　　#define set_mb(var, value) do {var = value; mb();} while 0

　　#define set_wmb(var, value) do {var = value; wmb();} while 0

　　#define set_rmb(var, value) do {var = value; rmb();} while 0

　　在適當(dāng)?shù)牡胤剑?lt;asm/system.h>中定義的這些宏可以利用體系架構(gòu)特有的指令更快的完成任務(wù)。注意只有小部分體系架構(gòu)定義了set_rmb宏。

　　使用I/O端口

　　I/O端口是驅(qū)動程序與許多設(shè)備之間的通信方式——至少在部分時間是這樣。本節(jié)講解了使用I/O端口的不同函數(shù)，另外也涉及到一些可移植性問題。

　　I/O端口分配

　　下面我們提供了一個注冊的接口，它允允許驅(qū)動程序聲明自己需要操作的端口：

　　#include <linux/ioport.h>

　　struct resource *request_region(unsigned long first, unsigned long n, const char *name);

　　它告訴內(nèi)核，我們要使用起始于first的n個端口。name是設(shè)備的名稱。如果分配成功返回非NULL，如果失敗返回NULL。

　　所有分配的端口可從/proc/ioports中找到。如果我們無法分配到我們要的端口集合，則可以查看這個文件哪個驅(qū)動程序已經(jīng)分配了這些端口。

　　如果不再使用這些端口，則用下面函數(shù)返回這些端口給系統(tǒng)：

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

　　下面函數(shù)允許驅(qū)動程序檢查給定的I/O端口是否可用：

　　int check_region(unsigned long first, unsigned long n);//不可用返回負(fù)的錯誤代碼

　　我們不贊成用這個函數(shù)，因為它返回成功并不能確保分配能夠成功，因為檢查和其后的分配并不是原子操作。我們應(yīng)該始終使用request_region，因為這個函數(shù)執(zhí)行了必要的鎖定，以確保分配過程以安全原子的方式完成。

　　操作I/O端口

　　當(dāng)驅(qū)動程序請求了需要使用的I/O端口范圍后，必須讀取和/或?qū)懭脒@些端口。為此，大多數(shù)硬件都會把8位、16位、32位區(qū)分開來。它們不能像訪問系統(tǒng)內(nèi)存那樣混淆使用。

　　因此，C語言程序必須調(diào)用不同的函數(shù)訪問大小不同的端口。那些只支持映射的I/O寄存器的計算機體系架構(gòu)通過把I/O端口地址重新映射到內(nèi)存地址來偽裝端口I/O，并且為了易于移植，內(nèi)核對驅(qū)動程序隱藏了這些細(xì)節(jié)。Linux內(nèi)核頭文件中(在與體系架構(gòu)相關(guān)的頭文件<asm/io.h>中)定義了如下一些訪問I/O端口的內(nèi)聯(lián)函數(shù)：

　　unsigned inb(unsigned port);

　　void outb(unsigned char byte, unsigned port);

　　字節(jié)讀寫端口。

　　unsigned inw(unsigned port);

　　void outw(unsigned short word, unsigned port);

　　訪問16位端口

　　unsigned inl(unsigned port);

　　void outl(unsigned longword, unsigned port);

　　訪問32位端口

　　在用戶空間訪問I/O端口

　　上面這些函數(shù)主要是提供給設(shè)備驅(qū)動程序使用的，但它們也可以用戶空間使用，至少在PC類計算機上可以使用。GNU的C庫在<sys/io.h>中定義了這些函數(shù)。如果要要用戶空間使用inb及相關(guān)函數(shù)，則必須滿足正下面這些條件：

　　編譯程序時必須帶有-O選項來強制內(nèi)聯(lián)函數(shù)的展開。

　　必須用ioperm(獲取單個端口的權(quán)限)或iopl(獲取整個I/O空間)系統(tǒng)調(diào)用來獲取對端口進行I/O操作的權(quán)限。這兩個函數(shù)都是x86平臺特有的。

　　必須以root身份運行該程序才能調(diào)用ioperm或iopl?；蛘哌M程的祖先進程之一已經(jīng)以root身份獲取對端口的訪問。

　　如果宿主平臺沒有以上兩個系統(tǒng)調(diào)用，則用戶空間程序仍然可以使用/dev/port設(shè)備文件訪問I/O端口。不過要注意，該設(shè)備文件的含義與平臺密切相關(guān)，并且除PC平臺以處，它幾乎沒有什么用處。

　　串操作

　　以上的I/O操作都是一次傳輸一個數(shù)據(jù)，作為補充，有些處理器實現(xiàn)了一次傳輸一個數(shù)據(jù)序列的特殊指令，序列中的數(shù)據(jù)單位可以是字節(jié)、字、雙字。這些指令稱為串操作指令，它們執(zhí)行這些任務(wù)時比一個C語言編寫的循環(huán)語句快得多。下面列出的宏實現(xiàn)了串I/O：

　　void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);

　　void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);從內(nèi)存addr開始連續(xù)讀/寫count數(shù)目的字節(jié)。只對單一端口port讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)

　　void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);

　　void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);對一個16位端口讀寫16位數(shù)據(jù)

　　void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);

　　void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);對一個32位端口讀寫32位數(shù)據(jù)

　　在使用串I/O操作函數(shù)時，需要銘記的是：它們直接將字節(jié)流從端口中讀取或?qū)懭搿Ｒ虼?，?dāng)端口和主機系統(tǒng)具有不同的字節(jié)序時，將導(dǎo)致不可預(yù)期的結(jié)果。使用inw讀取端口將在必要時交換字節(jié)，以便確保讀入的值匹配于主機的字節(jié)序。然而，串函數(shù)不會完成這種交換。

　　暫停式I/O

　　在處理器試圖從總線上快速傳輸數(shù)據(jù)時，某些平臺(特別是i386)就會出現(xiàn)問題。當(dāng)處理器時鐘比外設(shè)時鐘(如ISA)快時就會出現(xiàn)問題，并且在設(shè)備板上特別慢時表現(xiàn)出來。為了防止出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的情況，可以使用暫停式的I/O函數(shù)來取代通常的I/O函數(shù)，這些暫停式的I/O函數(shù)很像前面介紹的那些I/O函數(shù)，不同之處是它們的名字用_p結(jié)尾，如inb_p、outb_p等等。在linux支持的大多數(shù)平臺上都定義了這些函數(shù)，不過它們常常擴展為非暫停式I/O同樣的代碼，因為如果不使用過時的外設(shè)總線就不需要額外的暫停。

　　平臺相關(guān)性

　　I/O指令是與處理器密切相關(guān)的。因為它們的工作涉及到處理器移入移出數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)，所以隱藏平臺間的差異非常困難。因此，大部分與I/O端口相關(guān)的源代碼都與平臺相關(guān)。

　　回顧前面函數(shù)列表可以看到有一處不兼容的地方，即數(shù)據(jù)類型。函數(shù)的參數(shù)根據(jù)各平臺體系架構(gòu)上的不同要相應(yīng)地使用不同的數(shù)據(jù)類型。例如，port參數(shù)在x86平臺上(處理器只支持64KB的I/O空間)上定義為unsigned short，但在其他平臺上定義為unsigned long，在這些平臺上，端口是與內(nèi)存在同一地址空間內(nèi)的一些特定區(qū)域。

　　感興趣的讀者可以從io.h文件獲得更多信息，除了本章介紹的函數(shù)，一些與體系架構(gòu)相關(guān)的函數(shù)有時也由該文件定義。

　　值得注意的是，x86家族之外的處理器都不為端口提供獨立的地址空間。

　　I/O操作在各個平臺上執(zhí)行的細(xì)節(jié)在對應(yīng)平臺的編程手冊中有詳細(xì)的敘述;也可以從web上下載這些手冊的PDF文件。

　　I/O端口示例

　　演示設(shè)備驅(qū)動程序的端口I/O的示例代碼運行于通用的數(shù)字I/O端口上，這種端口在大多數(shù)計算機平臺上都能找到。

　　數(shù)字I/O端口最常見的一種形式是一個字節(jié)寬度的I/O區(qū)域，它或者映射到內(nèi)存，或者映射到端口。當(dāng)把數(shù)字寫入到輸出區(qū)域時，輸出引腳上的電平信號隨著寫入的各位而發(fā)生相應(yīng)變化。從輸入?yún)^(qū)域讀取到的數(shù)據(jù)則是輸入引腳各位當(dāng)前的邏輯電平值。

　　這類I/O端口的具體實現(xiàn)和軟件接口是因系統(tǒng)而異的。大多數(shù)情況下，I/O引腳由兩個I/O區(qū)域控制的：一個區(qū)域中可以選擇用于輸入和輸出的引腳，另一個區(qū)域中可以讀寫實際的邏輯電平。不過有時情況簡單些，每個位不是輸入就是輸出(不過這種情況下就不能稱為“通用I/O"了);在所有個人計算機上都能找到的并口就是這樣的非通用的I/O端口。

　　并口簡介

　　并口的最小配置由3個8位端口組成。第一個端口是一個雙向的數(shù)據(jù)寄存器，它直接連接到物理連接器的2~9號引腳上。第二個端口是一個只讀的狀態(tài)寄存器;當(dāng)并口連接打印機時，該寄存器報告打印機狀態(tài)，如是否是線、缺紙、正忙等等。第三個端口是一個只用于輸出的控制寄存器，它的作用之一是控制是否啟用中斷。

　　如下所示：并口的引腳

　　示例驅(qū)動程序

　　while(count--) {

　　outb(*(ptr++), port);

　　wmb();

　　}

　　使用I/O內(nèi)存

　　除了x86上普遍使的I/O端口之外，和設(shè)備通信的另一種主要機制是通過使用映射到內(nèi)存的寄存器或設(shè)備內(nèi)存，這兩種都稱為I/O內(nèi)存，因為寄存器和內(nèi)存的差別對軟件是透明的。

　　I/O內(nèi)存僅僅是類似RAM的一個區(qū)域，在那里處理器可以通過總線訪問設(shè)備。這種內(nèi)存有很多用途，比如存放視頻數(shù)據(jù)或以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，也可以用來實現(xiàn)類似I/O端口的設(shè)備寄存器(也就是說，對它們的讀寫也存在邊際效應(yīng))。

　　根據(jù)計算機平臺和所使用總線的不同，i/o內(nèi)存可能是，也可能不是通過頁表訪問的。如果訪問是經(jīng)由頁表進行的，內(nèi)核必須首先安排物理地址使其對設(shè)備驅(qū)動程序可見(這通常意味著在進行任何I/O之前必須先調(diào)用ioremap)。如果訪問無需頁表，那么I/O內(nèi)存區(qū)域就非常類似于I/O端口，可以使用適當(dāng)形式的函數(shù)讀取它們。

　　不管訪問I/O內(nèi)存是否需要調(diào)用ioremap，都不鼓勵直接使用指向I/O內(nèi)存的指針。相反使用包裝函數(shù)訪問I/O內(nèi)存，這一方面在所有平臺上都是安全的，另一方面，在可以直接對指針指向的內(nèi)存區(qū)域執(zhí)行操作的時候，這些函數(shù)是經(jīng)過優(yōu)化的。并且直接使用指針會影響程序的可移植性。

　　I/O內(nèi)存分配和映射

　　在使用之前，必須首先分配I/O區(qū)域。分配內(nèi)存區(qū)域的接口如下(在<linux/ioport.h>中定義)：

　　struct resource *request_mem_region(unsigned long start, unsigned long len, char *name);

　　該函數(shù)從start開始分配len字節(jié)長的內(nèi)存區(qū)域。如果成功返回非NULL，否則返回NULL值。所有的I/O內(nèi)存分配情況可從/proc/iomem得到。

　　不再使用已分配的內(nèi)存區(qū)域時，使用如下接口釋放：

　　void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);

　　下面函數(shù)用來檢查給定的I/O內(nèi)存區(qū)域是否可用的老函數(shù)：

　　int check_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);//這個函數(shù)和check_region一樣不安全，應(yīng)避免使用

　　分配內(nèi)存之后我們還必須確保該I/O內(nèi)存對內(nèi)存而言是可訪問的。獲取I/O內(nèi)存并不意味著可引用對應(yīng)的指針;在許多系統(tǒng)上，I/O內(nèi)存根本不能通過這種方式直接訪問。因此，我們必須由ioremap函數(shù)建立映射，ioremap專用于為I/O內(nèi)存區(qū)域分配虛擬地址。

　　我們根據(jù)以下定義來調(diào)用ioremap函數(shù)：

　　#include <asm/io.h>

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

　　void *ioremap_nocache(unsigned long phys_addr, unsigned long size);在大多數(shù)計算機平臺上，該函數(shù)和ioremap相同：當(dāng)所有I/O內(nèi)存已屬于非緩存地址時，就沒有必要實現(xiàn)ioremap的獨立的，非緩沖版本。

　　void iounmap(void *addr);

　　記住，由ioremap返回的地址不應(yīng)該直接引用，而應(yīng)該使用內(nèi)核提供的accessor函數(shù)。

　　訪問I/O內(nèi)存

　　在某些平臺上我們可以將ioremap的返回值直接當(dāng)作指針使用。但是，這種使用不具有可移植性，訪問I/O內(nèi)存的正確方法是通過一組專用于些目的的函數(shù)(在<asm/io.h>中定義)。

　　從I/O內(nèi)存中讀取，可使用以下函數(shù)之一：

　　unsigned int ioread8(void *addr);

　　unsigned int ioread16(void *addr);

　　unsigned int ioread32(void *addr);

　　其中，addr是從ioremap獲得的地址(可能包含一個整數(shù)偏移量);返回值是從給定I/O內(nèi)存讀取到的值。

　　寫入I/O內(nèi)存的函數(shù)如下：

　　void iowrite8(u8 value, void *addr);

　　void iowrite16(u16 value, void *addr);

　　void iowrite32(u32 value, void *addr);

　　如果必須在給定的I/O內(nèi)存地址處讀/寫一系列值，則可使用上述函數(shù)的重復(fù)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);

　　上述函數(shù)從給定的buf向給定的addr讀取或?qū)懭隿ount個值。count以被寫入數(shù)據(jù)的大小為單位。

　　上面函數(shù)均在給定的addr處執(zhí)行所有的I/O操作，如果我們要在一塊I/O內(nèi)存上執(zhí)行操作，則可以使用下面的函數(shù)：

　　void memset_io(void *addr, u8 value, unsigned int count);

　　void memcpy_fromio(void *dest, void *source, unsigned int count);

　　void memcpy_toio(void *dest, void *source, unsigned int count);

　　上述函數(shù)和C函數(shù)庫的對應(yīng)函數(shù)功能一致。

　　像I/O內(nèi)存一樣使用I/O端口

　　某些硬件具有一種有趣的特性：某些版本使用I/O端口，而其他版本則使用I/O內(nèi)存。導(dǎo)出給處理器的寄存器在兩種情況下都是一樣的，但訪問方法卻不同。為了讓處理這類硬件的驅(qū)動程序更加易于編寫，也為了最小化I/O端口和I/O內(nèi)存訪問這間的表面區(qū)別，2.6內(nèi)核引入了ioport_map函數(shù)：

　　void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);

　　該函數(shù)重新映射count個I/O端口，使其看起來像I/O內(nèi)存。此后，驅(qū)動程序可在該函數(shù)返回的地址上使用ioread8及其相關(guān)函數(shù)，這樣就不必理會I/O端口和I/O內(nèi)存之間的區(qū)別了。

　　當(dāng)不需要這種映射時使用下面函數(shù)一撤消：

　　void ioport_unmap(void *addr);

　　這些函數(shù)使得I/O端口看起來像內(nèi)存。但需要注意的是，在重新映射之前，我們必須通過request_region來分配這些I/O端口。

　　為I/O內(nèi)存重用short

　　前面介紹的short示例模塊訪問的是I/O端口，它也可以訪問I/O內(nèi)存。為此必須在加載時通知它使用I/O內(nèi)存，另外還要修改base地址以使其指向I/O區(qū)域。

　　下例是在MIPS開發(fā)板上點亮調(diào)試用的LED：

　　mips.root# ./short_load use_mem=1 base = 0xb7ffffc0

　　mips.root# echo -n 7 > /dev/short0

　　下面代碼是short寫入內(nèi)存區(qū)域時使用的循環(huán)：

　　while(count--) {

　　iowrite8(*ptr++, address);

　　wmb();

　　}

　　1MB地址空間之下的ISA內(nèi)存

　　最廣為人知的I/O內(nèi)存區(qū)之一就是個人計算機上的ISA內(nèi)存段。它的內(nèi)存范圍在64KB(0xA0000)到1MB(0x100000)之間，因此它正好出現(xiàn)在常規(guī)系統(tǒng)RAM的中間。這種地址看上去有點奇怪，因為這個設(shè)計決策是20世紀(jì)80年代早期作出的，在當(dāng)時看來沒有人會用到640KB以上的內(nèi)存。