LDD3学习7--硬件接口I/O端口（以short为例）
1 理论
1.1 基本概念
目前对外设的操作，都是通过寄存器。寄存器的概念，其实就是接口，访问硬件接口，有I/O端口通信和内存映射I/O (Memory-Mapped I/O)，I/O端口通信是比较老的那种，都是老的串口并口设备，PS/2鼠标在用，感觉现在应该用不到了。以我浅显的比喻，就是一个是API通信，一个是内存映射。
另外说说这个IO操作模型和总线的关系，两者其实没有关系，比如说I2C总线可以使用IO端口也可以使用内存映射，实际上用的应该是内存映射，但是这块现在是被封装在open，read这几个接口之后，所以一般也感觉不到。
1.2 CPU缓冲
书里面讲的有点绕，也可能是翻译的问题，其实本质就是多核的情况下，可能后面的变量先于前面的变量生效。
// CPU1: Producer
void update_data() {
data = 42; // 更新数据
mb(); // 确保data的更新在flag设置之前完成
flag = 1; // 设置标志
}
// CPU2: Consumer
void read_data() {
while (flag == 0); // 等待标志被设置
int value = data; // 读取数据
// 使用value进行后续操作
}在CPU1中：
data = 42;：更新数据。
mb();：插入全内存屏障，确保在此之前的所有内存操作（即data的更新）在此之后的操作（即flag的设置）之前完成。
flag = 1;：设置标志，通知CPU2数据已准备好。
在CPU2中：
while (flag == 0);：等待flag被设置。
int value = data;：读取数据，确保读取的是更新后的值。
1.3 申请IO的API
这里会使用request_region，release_region这几个接口。
申请成功后，会在/proc/ioports看到。
soft@7080:~/memo$ cat /proc/ioports
0000-0000 : PCI Bus 0000:00
0000-0000 : dma1
0000-0000 : pic1
0000-0000 : timer0
0000-0000 : timer1
0000-0000 : keyboard
0000-0000 : keyboard
0000-0000 : rtc0
0000-0000 : dma page reg
0000-0000 : pic2
0000-0000 : dma2
0000-0000 : fpu
0000-0000 : PNP0C04:00
0000-0000 : serial
0000-0000 : iTCO_wdt
0000-0000 : pnp 00:03
0000-0000 : pnp 00:01
0000-0000 : pnp 00:01
0000-0000 : pnp 00:01
0000-0000 : pnp 00:01
0000-0000 : pnp 00:01
0000-0000 : pnp 00:01
0000-0000 : pnp 00:01
0000-0000 : PCI conf1
0000-0000 : PCI Bus 0000:00
0000-0000 : pnp 00:03
0000-0000 : ACPI PM1a_EVT_BLK
0000-0000 : ACPI PM1a_CNT_BLK
0000-0000 : ACPI PM_TMR
0000-0000 : ACPI PM2_CNT_BLK
0000-0000 : pnp 00:05
0000-0000 : ACPI GPE0_BLK
0000-0000 : pnp 00:07
0000-0000 : 0000:00:02.0
0000-0000 : 0000:00:17.0
0000-0000 : ahci
0000-0000 : 0000:00:17.0
0000-0000 : ahci
0000-0000 : 0000:00:17.0
0000-0000 : ahci
0000-0000 : 0000:00:1f.4
0000-0000 : i801_smbus
1.4 操作端口
在<asm/io.h>中，使用unsigned inb(unsigned port);void outb(unsigned char byte, unsigned port);unsigned inl(unsigned port);。这里主要的差别是数据的宽度。在底层，8位，16位，32位都必须要做出区别。
用户空间中也可以通过<sys/io.h>的接口操作，但是需要root权限，以及使用ioperm 和 iopl申请权限。
还有接口可以实现直接读取或者写入一串字符：
void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
1.5 平台差异
最后是这些IO接口不是所有平台可用，书中列出了这些区别。对我来说，x86,ARM,MIPS这几个平台能用就够了。
2 short代码
书中是和并口设备交互，串口设备如上图。现在实在是找不到这样的设备了。我的重点是后面的USB，所以这次就代码走读为主。代码是short.c，就一个c文件。还是很简单。
module_init(short_init);
module_exit(short_cleanup);
重点就是两个函数，short_init和short_cleanup。
1 short_init
int short_init(void)
{
int result;
/*
* first, sort out the base/short_base ambiguity: we'd better
* use short_base in the code, for clarity, but allow setting
* just "base" at load time. Same for "irq".
*/
short_base = base;
short_irq = irq;
/* Get our needed resources. */
if (!use_mem) {
if (! request_region(short_base, SHORT_NR_PORTS, "short")) {
printk(KERN_INFO "short: can't get I/O port address 0x%lx\n",
short_base);
return -ENODEV;
}
} else {
if (! request_mem_region(short_base, SHORT_NR_PORTS, "short")) {
printk(KERN_INFO "short: can't get I/O mem address 0x%lx\n",
short_base);
return -ENODEV;
}
/* also, ioremap it */
short_base = (unsigned long) ioremap(short_base, SHORT_NR_PORTS);
/* Hmm... we should check the return value */
}
/* Here we register our device - should not fail thereafter */
result = register_chrdev(major, "short", &short_fops);
if (result < 0) {
printk(KERN_INFO "short: can't get major number\n");
if (!use_mem) {
release_region(short_base, SHORT_NR_PORTS);
} else {
release_mem_region(short_base, SHORT_NR_PORTS);
}
return result;
}
if (major == 0) major = result; /* dynamic */
short_buffer = __get_free_pages(GFP_KERNEL,0); /* never fails */ /* FIXME */
short_head = short_tail = short_buffer;
/*
* Fill the workqueue structure, used for the bottom half handler.
* The cast is there to prevent warnings about the type of the
* (unused) argument.
*/
/* this line is in short_init() */
INIT_WORK(&short_wq, (void (*)(struct work_struct *)) short_do_tasklet);
/*
* Now we deal with the interrupt: either kernel-based
* autodetection, DIY detection or default number
*/
if (short_irq < 0 && probe == 1)
short_kernelprobe();
if (short_irq < 0 && probe == 2)
short_selfprobe();
if (short_irq < 0) /* not yet specified: force the default on */
switch(short_base) {
case 0x378: short_irq = 7; break;
case 0x278: short_irq = 2; break;
case 0x3bc: short_irq = 5; break;
}
/*
* If shared has been specified, installed the shared handler
* instead of the normal one. Do it first, before a -EBUSY will
* force short_irq to -1.
*/
if (short_irq >= 0 && share > 0) {
result = request_irq(short_irq, short_sh_interrupt,
IRQF_SHARED,"short",
short_sh_interrupt);
if (result) {
printk(KERN_INFO "short: can't get assigned irq %i\n", short_irq);
short_irq = -1;
}
else { /* actually enable it -- assume this *is* a parallel port */
outb(0x10, short_base+2);
}
return 0; /* the rest of the function only installs handlers */
}
if (short_irq >= 0) {
result = request_irq(short_irq, short_interrupt,
0, "short", NULL);
if (result) {
printk(KERN_INFO "short: can't get assigned irq %i\n",
short_irq);
short_irq = -1;
}
else { /* actually enable it -- assume this *is* a parallel port */
outb(0x10,short_base+2);
}
}
/*
* Ok, now change the interrupt handler if using top/bottom halves
* has been requested
*/
if (short_irq >= 0 && (wq + tasklet) > 0) {
free_irq(short_irq,NULL);
result = request_irq(short_irq,
tasklet ? short_tl_interrupt :
short_wq_interrupt,
0, "short-bh", NULL);
if (result) {
printk(KERN_INFO "short-bh: can't get assigned irq %i\n",
short_irq);
short_irq = -1;
}
}
return 0;
}首先是request_region，如果配置了内存映射，就是request_mem_region和ioremap。
之后是注册字符设备，register_chrdev。
内存是用的__get_free_pages。
之后的INIT_WORK看起来是处理中断用的。
之后根据probe状态处理probe，有两种，short_kernelprobe和short_selfprobe。这两个的区别还要再看看。
后面是request_irq，之后outb(0x10,short_base+2);向寄存器写入0x10。
在较早的硬件中（例如并口设备），基地址和中断号通常是预定义的，形成了硬件设计上的约定。例如，地址0x378通常对应 IRQ 7，地址0x278通常对应 IRQ 2。
2 short_cleanup
倒是没啥特别的，就是清理。
void short_cleanup(void)
{
if (short_irq >= 0) {
outb(0x0, short_base + 2); /* disable the interrupt */
if (!share) free_irq(short_irq, NULL);
else free_irq(short_irq, short_sh_interrupt);
}
/* Make sure we don't leave work queue/tasklet functions running */
if (tasklet)
tasklet_disable(&short_tasklet);
else
flush_scheduled_work();
unregister_chrdev(major, "short");
if (use_mem) {
iounmap((void __iomem *)short_base);
//release_mem_region(short_base, SHORT_NR_PORTS);
release_mem_region(base, SHORT_NR_PORTS);
} else {
release_region(short_base,SHORT_NR_PORTS);
}
if (short_buffer) free_page(short_buffer);
}free_irq，unregister_chrdev，release_mem_region，release_region，free_page。
原文地址：https://blog.csdn.net/fanged/article/details/145183946
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