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Linux设备驱动程序学习之外设通信

2013年10月22日 ⁄ 综合 ⁄ 共 3032字 ⁄ 字号 小 中 大 ⁄ 评论关闭

在学习有关I/O总线的内容时，最好先看看相关的知识：

从PC总线到ARM的内部总线

I/O
端口和 I/O 内存

每种外设都是通过读写寄存器来进行控制。

在硬件层，内存区和 I/O 区域没有概念上的区别: 它们都是通过向在地址总线和控制总线发出电平信号来进行访问，再通过数据总线读写数据。

因为外设要与I\O总线匹配，而大部分流行的 I/O 总线是基于个人计算机模型（主要是 x86 家族：它为读和写 I/O 端口提供了独立的线路和特殊的 CPU 指令），所以即便那些没有单独I/O
端口地址空间的处理器，在访问外设时也要模拟成读写I\O端口。这一功能通常由外围芯片组（PC 中的南北桥）或 CPU 中的附加电路实现（嵌入式中的方法） 。

Linux 在所有的计算机平台上实现了 I/O 端口。但不是所有的设备都将寄存器映射到 I/O 端口。虽然ISA设备普遍使用 I/O 端口，但大部分 PCI 设备则把寄存器映射到某个内存地址区，这种 I/O 内存方法通常是首选的。因为它无需使用特殊的处理器指令，CPU 核访问内存更有效率，且编译器在访问内存时在寄存器分配和寻址模式的选择上有更多自由。

I/O
寄存器和常规内存

在进入这部分学习的时候，首先要理解一个概念：side effect，书中译为边际效应，第二版译为副作用。我觉得不管它是怎么被翻译的，都不可能精准表达原作者的意思，所以我个人认为记住side effect就好。下面来讲讲side effect的含义。我先贴出两个网上已有的两种说法（在这里谢谢两位高人的分享）：
第一种说法：


3. side effect（译为边际效应或副作用）：是指读取某个地址时可能导致该地址内容发生变化，比如，有些设备的中断状态寄存器只要一读取，便自动清零。I/O 寄存器的操作具有side effect，因此，不能对其操作不能使用cpu缓存。


原文网址：http://qinbh.blog.sohu.com/62733495.html


第二种说法：


说一下我的理解：I/O端口与实际外部设备相关联，通过访问I/O端口控制外部设备，“边际效应”是指控制设备（读取或写入）生效，访问I/O口的主要目的就是边际效应，不像访问普通的内存，只是在一个位置存储或读取一个数值，没有别的含义了。我是基于ARM平台理解的，在《linux设备驱动程序》第二版中的说法是“副作用”，不是“边际效应”。


原文网址：http://linux.chinaunix.net/bbs/viewthread.php?tid=890636&page=1#pid6312646
结合以上两种说法和自己看《Linux设备驱动程序（第3版）》的理解，我个人认为可以这样解释：
side
effect 是指：访问I/O寄存器时，不仅仅会像访问普通内存一样影响存储单元的值，更重要的是它可能改变CPU的I/O端口电平、输出时序或CPU对I/O端口电平的反应等等，从而实现CPU的控制功能。CPU在电路中的意义就是实现其side effect 。

I/O 寄存器和 RAM 的主要不同就是 I/O 寄存器操作有side effect, 而内存操作没有。

因为存储单元的访问速度对 CPU 性能至关重要，编译器会对源代码进行优化，主要是: 使用高速缓存保存数值 和 重新编排读/写指令顺序。但对I/O 寄存器操作来说，这些优化可能造成致命错误。因此，驱动程序必须确保在操作I/O
寄存器时，不使用高速缓存，且不能重新编排读/写指令顺序。

解决方法：

硬件缓存问题:只要把底层硬件配置(自动地或者通过 Linux 初始化代码)成当访问 I/O 区域时(不管内存还是端口)禁止硬件缓存即可。

硬件指令重新排序问题：在硬件(或其他处理器)必须以一个特定顺序执行的操作之间设置内存屏障（memory barrier）。

Linux 提供以下宏来解决所有可能的排序问题:

#include <linux/kernel.h> 
void barrier(void) /*告知编译器插入一个内存屏障但是对硬件没有影响。

编译后的代码会将当前CPU
寄存器中所有修改过的数值保存到内存中, 并当需要时重新读取它

们。可阻止在屏障前后的编译器优化，但硬件能完成自己的重新排序。其实<linux/kernel.h>

中并没有这个函数，因为它是在kernel.h包含的头文件compiler.h中定义的*/
#include <linux/compiler.h>
# define barrier() __memory_barrier()

#include <asm/system.h> 
void rmb(void); /*保证任何出现于屏障前的读在执行任何后续的读之前完成*/
void wmb(void); /*保证任何出现于屏障前的写在执行任何后续的写之前完成*/
void mb(void); /*保证任何出现于屏障前的读写操作在执行任何后续的读写操作之前完成*/
void read_barrier_depends(void); /*一种特殊的、弱些的读屏障形式。rmb
阻止屏障前后

的所有读指令的重新排序，read_barrier_depends
只阻止依赖于其他读指令返回的数据的读

指令的重新排序。区别微小,
且不在所有体系中存在。除非你确切地理解它们的差别, 并确

信完整的读屏障会增加系统开销，否则应当始终使用
rmb。*/
/*以上指令是barrier的超集*/


void smp_rmb(void); 
void smp_read_barrier_depends(void); 
void smp_wmb(void); 
void smp_mb(void); 
/*仅当内核为 SMP 系统编译时插入硬件屏障; 否则, 它们都扩展为一个简单的屏障调用。*/

典型的应用：

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

writel(dev->registers.size, io_size);

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

wmb();/*类似一条分界线，上面的写操作必然会在下面的写操作前完成，

但是上面的三个写操作的排序无法保证*/

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

内存屏障影响性能,所以应当只在确实需要它们的地方使用。不同的类型对性能的影响也不同，因此要尽可能地使用需要的特定类型。值得注意的是大部分处理同步的内核原语，例如自旋锁和atomic_t，也可作为内存屏障使用。

某些体系允许赋值和内存屏障组合，以提高效率。它们定义如下:

#define set_mb(var, value) do {var = value; mb();} while 0
/*以下宏定义在ARM体系中不存在*/
#define set_wmb(var, value) do {var = value; wmb();} while 0
#define set_rmb(var, value) do {var = value; rmb();} while 0

使用do...while 结构来构造宏是标准 C 的惯用方法，它保证了扩展后的宏可在所有上下文环境中被作为一个正常的 C 语句执行。

使用
I/O 端口

I/O 端口是驱动用来和许多设备之间的通讯方式。
I/O
端口分配
在尚未取得端口的独占访问前，不应对端口进行操作。内核提供了一个注册用的接口，允许驱动程序声明它需要的端口：

#inclu

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