Linux对I/O端口资源的管理

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　　Linux-2.4.0
　　Version 1.0.0，2002-10-1

　　关键词：设备管理、驱动程序、I/O端口、资源

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　　几乎每一种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”，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。CPU对外设IO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。

　　有些体系结构的CPU（如，PowerPC、m68k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。这就是所谓的“内存映射方式”（Memory－mapped）。

　　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）。这就是所谓的“I/O映射方式”（I/O－mapped）。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。

　　Linux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）。在讨论对I/O区域的管理之前，我们首先来分析一下Linux是如何实现“I/O资源”这一抽象概念的。

3．1 Linux对I/O资源的描述

　　Linux设计了一个通用的数据结构resource来描述各种I/O资源（如：I/O端口、外设内存、DMA和IRQ等）。该结构定义在include/linux/ioport.h头文件中：

　　struct resource {
	const char *name;
	unsigned long start, end;
	unsigned long flags;
	struct resource *parent, *sibling, *child;
　　};

　　各成员的含义如下：

　　1. name指针：指向此资源的名称。
　　2. start和end：表示资源的起始物理地址和终止物理地址。它们确定了资源的范围，也即是一个闭区间[start,end]。
　　3. flags：描述此资源属性的标志（见下面）。
　　4. 指针parent、sibling和child：分别为指向父亲、兄弟和子资源的指针。

　　属性flags是一个unsigned long类型的32位标志值，用以描述资源的属性。比如：资源的类型、是否只读、是否可缓存，以及是否已被占用等。下面是一部分常用属性标志位的定义（ioport.h）：

/*
 * IO resources have these defined flags.
 */
#define IORESOURCE_BITS		0x000000ff	/* Bus-specific bits */

#define IORESOURCE_IO		0x00000100	/* Resource type */
#define IORESOURCE_MEM		0x00000200
#define IORESOURCE_IRQ		0x00000400
#define IORESOURCE_DMA		0x00000800

#define IORESOURCE_PREFETCH	0x00001000	/* No side effects */
#define IORESOURCE_READONLY	0x00002000
#define IORESOURCE_CACHEABLE	0x00004000
#define IORESOURCE_RANGELENGTH	0x00008000
#define IORESOURCE_SHADOWABLE	0x00010000
#define IORESOURCE_BUS_HAS_VGA	0x00080000

#define IORESOURCE_UNSET	0x20000000
#define IORESOURCE_AUTO		0x40000000
#define IORESOURCE_BUSY		0x80000000
	/* Driver has marked this resource busy */

　　指针parent、sibling和child的设置是为了以一种树的形式来管理各种I/O资源。

3．2 Linux对I/O资源的管理

　　Linux是以一种倒置的树形结构来管理每一类I/O资源（如：I/O端口、外设内存、DMA和IRQ）的。每一类I/O资源都对应有一颗倒置的资源树，树中的每一个节点都是一个resource结构，而树的根结点root则描述了该类资源的整个资源空间。

　　基于上述这个思想，Linux在kernel/Resource.c文件中实现了对资源的申请、释放及查找等操作。

　　3．2．1 I/O资源的申请

　　假设某类资源有如下这样一颗资源树：

　　节点root、r1、r2和r3实际上都是一个resource结构类型。子资源r1、r2和r3通过sibling指针链接成一条单向非循环链表，其表头由root节点中的child指针定义，因此也称为父资源的子资源链表。r1、r2和r3的parent指针均指向他们的父资源节点，在这里也就是图中的root节点。

　　假设想在root节点中分配一段I/O资源（由图中的阴影区域表示）。函数request_resource()实现这一功能。它有两个参数：①root指针，表示要在哪个资源根节点中进行分配；②new指针，指向描述所要分配的资源（即图中的阴影区域）的resource结构。该函数的源代码如下（kernel/resource.c）:

　　int request_resource(struct resource *root, struct resource *new)
　　{
	struct resource *conflict;

	write_lock(&resource_lock);
	conflict = __request_resource(root, new);
	write_unlock(&resource_lock);
	return conflict ? -EBUSY : 0;
　　}

　　对上述函数的NOTE如下：