CPU地址空间
（一）地址的概念
1）物理地址：CPU地址总线传来的地址，由硬件电路操控其详细意义。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，这是由硬件规划来决议的，因而在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，由于还有一部分要给总线用（总线上还挂着其他 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发生的信号。外设运用的是总线地址，CPU运用的是物理地址。
物理地址与总线地址之间的关系由体系的规划决议的。在x86渠道上，物理地址便是总线地址，这是由于它们同享相同的地址空间——这句话有点难了解，详见下 面的“独立编址”。在其他渠道上，或许需求转化/映射。比方：CPU需求拜访物理地址是0xfa000的单元，那么在x86渠道上，会发生一个PCI总线 上对0xfa000地址的拜访。由于物理地址和总线地址相同，所以凭眼睛看是不能确认这个地址是用在哪儿的，它或许在内存中，或许是某个卡上的存储单元， 乃至或许这个地址上没有对应的存储器。
3）虚拟地址：现代操作体系遍及选用虚拟内存办理（Virtual Memory Management）机制，这需求MMU（Memory Management Unit）的支撑。MMU通常是CPU的一部分，假如处理器没有MMU，或许有MMU但没有启用，CPU履行单元宣布的内存地址将直接传到芯片引脚上，被 内存芯片（物理内存）接纳，这称为物理地址（Physical Address），假如处理器启用了MMU，CPU履行单元宣布的内存地址将被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，也便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。用户空间散布为0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于0xC0000000），剩余的1G为内核空间。程序员只能运用虚拟地址。体系中每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对体系中的其他进程是不行见的。
CPU宣布取指令恳求时的地址是当时上下文的虚拟地址，MMU再从页表中找到这个虚拟地址的物理地址，完结取指。相同读取数据的也是虚拟地址，比方mov ax， var. 编译时var便是一个虚拟地址，也是经过MMU从也表中来找到物理地址，再发生总线时序，完结取数据的。
（二）编址办法
1）外设都是经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端口有两种编址办法：独立编址和一致编制。
一致编址：外设接口中的IO寄存器（即IO端口）与主存单元相同看待，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。
一致编址也称为“I/O内存”办法，外设寄存器坐落“内存空间”（许多外设有自己的内存、缓冲区，外设的寄存器和内存总称“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等分割：
0x8000 1000 LED 8*8点阵的地址
0x4800 0000 ~ 0x6000 0000 SFR（特别暂存器）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（独自编址）：IO地址与存储地址分隔独立编址，I/0端口地址不占用存储空间的地址规模，这样，在体系中就存在了另一种与存储地址无关的IO地 址，CPU也有必要具有专用与输入输出操作的IO指令（IN、OUT等）和操控逻辑。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、仍是 给存储器的，所以处理器经过MEMR/MEMW和IOR/IOW两组操控信号来完成对I/O端口和存储器的不同寻址。如，intel 80×86就选用独自编址，CPU内存和I/O是一同编址的，便是说内存一部分的地址和I/O地址是堆叠的。
独立编址也称为“I/O端口”办法，外设寄存器坐落“I/O（地址）空间”。
关于x86架构来说，经过IN/OUT指令拜访。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，80×86用低16位地址线A0-A15来寻址。接连两个8bit的端口能够组成一个16bit的端口，接连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
0020-003f ： pic1
0040-005f ： timer
0060-006f ： keyboard
0070-007f ： rtc
0080-008f ： dma page reg
00a0-00bf ： pic2
00c0-00df ： dma2
00f0-00ff ： fpu
0170-0177 ： ide1
……
不过Intel x86渠道一般运用了名为内存映射（MMIO）的技能，该技能是PCI标准的一部分，IO设备端口被映射到内存空间，映射后，CPU拜访IO端口就好像访 问内存相同。看Intel TA 719文档给出的x86/x64体系典型内存地址分配表：
体系资源 占用
BIOS 1M
本地APIC 4K
芯片组保存 2M
IO APIC 4K
PCI设备 256M
PCI Express设备 256M
PCI设备（可选） 256M
显现帧缓存 16M
TSEG 1M
关于某一既定的体系，它要么是独立编址、要么是一致编址，详细选用哪一种则取决于CPU的体系结构。 如，PowerPC、m68k等选用一致编址，而X86等则选用独立编址，存在IO空间的概念。现在，大多数嵌入式微操控器如ARM、PowerPC等并 不供给I/O空间，仅有内存空间，可直接用地址、指针拜访。但关于Linux内核而言，它或许用于不同的CPU，所以它有必要都要考虑这两种办法，所以它采 用一种新的办法，将根据I/O映射办法的或内存映射办法的I/O端口通称为“I/O区域”（I/O region），不管你选用哪种办法，都要先恳求IO区域：request_resource（），结束时开释 它：release_resource（）。
2）对外设的拜访
1、拜访I/O内存的流程是：request_mem_region（） -》 ioremap（） -》 ioread8（）/iowrite8（） -》 iounmap（） -》release_mem_region（） 。
前面说过，IO内存是一致编址下的概念，关于一致编址，IO地址空间是物理主存的一部分，关于编程而言，咱们只能操作虚拟内存，所以，拜访的第一步便是要把设备所在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，咱们能够直接经过指针来拜访这些地址，可是也能够用Linux内核的一组函数来读写：
ioread8（）， iowrite16（）， ioread8_rep（）， iowrite8_rep（）。..。..
2、拜访I/O端口
拜访IO端口有2种途径：I/O映射办法（I/O－mapped）、内存映射办法（Memory－mapped）。前一种途径不映射到内存空间，直接运用 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”），再运用拜访IO内存的函数来拜访 IO端口。
void ioport_map（unsigned long port， unsigned int count）;
经过这个函数，能够把port开端的count个接连的IO端口映射为一段“内存空间”，然后就能够在其回来的地址是像拜访IO内存相同拜访这些IO端口。
Linux下的IO端口和IO内存
CPU对外设端口物理地址的编址办法有两种：一种是IO映射办法，另一种是内存映射办法。
Linux将根据IO映射办法的和内存映射办法的IO端口总称为IO区域（IO region）。
IO region依然是一种IO资源，因而它依然能够用resource结构类型来描绘。
Linux办理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（）
查看一个给定区间的IO端口是否闲暇，或许其间一些是否现已分配给某个IO设备。
3） release_region（）
开释曾经分配给一个IO设备的给定区间的IO端口。
Linux中能够经过以下辅佐函数来拜访IO端口：
inb（），inw（），inl（），outb（），outw（），outl（）
“b”“w”“l”别离代表8位，16位，32位。
对IO内存资源的拜访
1） request_mem_region（）
恳求分配指定的IO内存资源。
2） check_mem_region（）
查看指定的IO内存资源是否已被占用。
3） release_mem_region（）
开释指定的IO内存资源。
其间传给函数的start address参数是内存区的物理地址（以上函数参数表已省掉）。
驱动开发人员能够将内存映射办法的IO端口和外设内存一致看作是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中能够经过以下辅佐函数来拜访IO内存资源：
readb（），readw（），readl（），writeb（），writew（），writel（）。
Linux在kernel/resource.c文件中界说了全局变量ioport_resource和iomem_resource，来别离描绘根据IO映射办法的整个IO端口空间和根据内存映射办法的IO内存资源空间（包含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空间是相关于内存空间而言的，它经过特定的指令in、out来拜访。端口号标识了外设的寄存器地址。Intel语法的in、out指令格局为：
IN 累加器， {端口号│DX}
OUT {端口号│DX}，累加器
现在，大多数嵌入式微操控器如ARM、PowerPC等中并不供给I/O空间，而仅存在内存空间。内存空间能够直接经过地址、指针来拜访，程序和程序运转中运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，尽管供给了I/O空间，假如由咱们自己规划电路板，外设依然能够只挂接在内存空间。此刻，CPU能够像拜访一个内存单元那样拜访外设I/O端口，而不需求建立专门的I/O指令。因而，内存空间是有必要的，而I/O空间是可选的。
（2）inb和outb：
在Linux设备驱动中，宜运用Linux内核供给的函数来拜访定坐落I/O空间的端口，这些函数包含：
· 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开端读count个字节端口，并将读取成果写入addr指向的内存；outsb（）将addr指向的内存的count个字节接连地写入port开端的端口。
· 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的类型高度依赖于详细的硬件渠道，因而，仅仅写出了unsigned。
