linux中的IO端口映射和IO內存映射
（一）地址的概念
1）物理地址：CPU地址總線傳來的地址，由硬件電路控制其具體含義。物理地址中很大一部分是留給內存條中的內存的，但也常被映射到其他存儲器上 （如顯存、BIOS等）。在程序指令中的虛擬地址經過段映射和頁面映射後，就生成了物理地址，這個物理地址被放到CPU的地址線上。
物理地址空間，一部分給物理RAM（內存）用，一部分給總線用，這是由硬件設計來決定的，因此在32 bits地址線的x86處理器中，物理地址空間是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因爲還有一部分要給總線用（總線上還掛着別的 許多設備）。在PC機中，一般是把低端物理地址給RAM用，高端物理地址給總線用。
2）總線地址：總線的地址線或在地址週期上產生的信號。外設使用的是總線地址，CPU使用的是物理地址。
物理地址與總線地址之間的關係由系統的設計決定的。在x86平臺上，物理地址就是總線地址，這是因爲它們共享相同的地址空間——這句話有點難理解，詳見下 面的“獨立編址”。在其他平臺上，可能需要轉換/映射。比如：CPU需要訪問物理地址是0xfa000的單元，那麼在x86平臺上，會產生一個PCI總線 上對0xfa000地址的訪問。因爲物理地址和總線地址相同，所以憑眼睛看是不能確定這個地址是用在哪兒的，它或者在內存中，或者是某個卡上的存儲單元， 甚至可能這個地址上沒有對應的存儲器。
3）虛擬地址：現代操作系統普遍採用虛擬內存管理（Virtual Memory Management）機制，這需要MMU（Memory Management Unit）的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果處理器沒有MMU，或者有MMU但沒有啓用，CPU執行單元發出的內存地址將直接傳到芯片引腳上，被 內存芯片（物理內存）接收，這稱爲物理地址（Physical Address），如果處理器啓用了MMU，CPU執行單元發出的內存地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱爲虛擬地址（Virtual
Address），而MMU將這個地址翻譯成另一個地址發到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將虛擬地址映射成物理地址。
Linux中，進程的4GB（虛擬）內存分爲用戶空間、內核空間。用戶空間分佈爲0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等於0xC0000000），剩下的1G爲內核空間。程序員只能使用虛擬地址。系統中每個進程有各自的私有用戶空間（0～3G），這個空間對系統中的其他進程是不可見的。
CPU發出取指令請求時的地址是當前上下文的虛擬地址，MMU再從頁表中找到這個虛擬地址的物理地址，完成取指。同樣讀取數據的也是虛擬地址，比如mov ax, var. 編譯時var就是一個虛擬地址，也是通過MMU從也表中來找到物理地址，再產生總線時序，完成取數據的。
（二）編址方式
1）外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行的，外設寄存器也稱爲“I/O端口”，而IO端口有兩種編址方式：獨立編址和統一編制。
統一編址：外設接口中的IO寄存器（即IO端口）與主存單元一樣看待，每個端口占用一個存儲單元的地址，將主存的一部分劃出來用作IO地址空間，如，在 PDP-11中，把最高的4K主存作爲IO設備寄存器地址。端口占用了存儲器的地址空間，使存儲量容量減小。
統一編址也稱爲“I/O內存”方式，外設寄存器位於“內存空間”（很多外設有自己的內存、緩衝區，外設的寄存器和內存統稱“I/O空間”）。
如，Samsung的S3C2440，是32位ARM處理器，它的4GB地址空間被外設、RAM等瓜分：
0x8000 1000 LED 8*8點陣的地址
0x4800 0000 ~ 0x6000 0000 SFR（特殊暫存器）地址空間
0x3800 1002 鍵盤地址
0x3000 0000 ~ 0x3400 0000 SDRAM空間
0x2000 0020 ~ 0x2000 002e IDE
0x1900 0300 CS8900
獨立編址（單獨編址）：IO地址與存儲地址分開獨立編址，I/0端口地址不佔用存儲空間的地址範圍，這樣，在系統中就存在了另一種與存儲地址無關的IO地 址，CPU也必須具有專用與輸入輸出操作的IO指令（IN、OUT等）和控制邏輯。獨立編址下，地址總線上過來一個地址，設備不知道是給IO端口的、還是 給存儲器的，於是處理器通過MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號來實現對I/O端口和存儲器的不同尋址。如，intel
80x86就採用單獨編址，CPU內存和I/O是一起編址的，就是說內存一部分的地址和I/O地址是重疊的。
獨立編址也稱爲“I/O端口”方式，外設寄存器位於“I/O（地址）空間”。
對於x86架構來說，通過IN/OUT指令訪問。PC架構一共有65536個8bit的I/O端口，組成64K個I/O地址空間，編號從 0~0xFFFF，有16位，80x86用低16位地址線A0-A15來尋址。連續兩個8bit的端口可以組成一個16bit的端口，連續4個組成一個 32bit的端口。I/O地址空間和CPU的物理地址空間是兩個不同的概念，例如I/O地址空間爲64K，一個32bit的CPU物理地址空間是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
……
不過Intel x86平臺普通使用了名爲內存映射（MMIO）的技術，該技術是PCI規範的一部分，IO設備端口被映射到內存空間，映射後，CPU訪問IO端口就如同訪 問內存一樣。看Intel TA 719文檔給出的x86/x64系統典型內存地址分配表：
系統資源 佔用
------------------------------------------------------------------------
BIOS 1M
本地APIC 4K
芯片組保留 2M
IO APIC 4K
PCI設備 256M
PCI Express設備 256M
PCI設備（可選） 256M
顯示幀緩存 16M
TSEG 1M
對於某一既定的系統，它要麼是獨立編址、要麼是統一編址，具體採用哪一種則取決於CPU的體系結構。 如，PowerPC、m68k等採用統一編址，而X86等則採用獨立編址，存在IO空間的概念。目前，大多數嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等並 不提供I/O空間，僅有內存空間，可直接用地址、指針訪問。但對於Linux內核而言，它可能用於不同的CPU，所以它必須都要考慮這兩種方式，於是它採 用一種新的方法，將基於I/O映射方式的或內存映射方式的I/O端口通稱爲“I/O區域”（I/O region），不論你採用哪種方式，都要先申請IO區域：request_resource()，結束時釋放
它：release_resource()。
2）對外設的訪問
1、訪問I/O內存的流程是：request_mem_region() -> ioremap() -> ioread8()/iowrite8() -> iounmap() ->release_mem_region() 。
前面說過，IO內存是統一編址下的概念，對於統一編址，IO地址空間是物理主存的一部分，對於編程而言，我們只能操作虛擬內存，所以，訪問的第一步就是要把設備所處的物理地址映射到虛擬地址，Linux2.6下用ioremap():
void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);
然後，我們可以直接通過指針來訪問這些地址，但是也可以用Linux內核的一組函數來讀寫：
ioread8(), iowrite16(), ioread8_rep(), iowrite8_rep()......
2、訪問I/O端口
訪問IO端口有2種途徑：I/O映射方式（I/O－mapped）、內存映射方式（Memory－mapped）。前一種途徑不映射到內存空間，直接使用 intb()/outb()之類的函數來讀寫IO端口；後一種MMIO是先把IO端口映射到IO內存（“內存空間”），再使用訪問IO內存的函數來訪問
IO端口。
void ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);
通過這個函數，可以把port開始的count個連續的IO端口映射爲一段“內存空間”，然後就可以在其返回的地址是像訪問IO內存一樣訪問這些IO端口。
Linux下的IO端口和IO內存
CPU對外設端口物理地址的編址方式有兩種：一種是IO映射方式，另一種是內存映射方式。
Linux將基於IO映射方式的和內存映射方式的IO端口統稱爲IO區域（IO region）。
IO region仍然是一種IO資源，因此它仍然可以用resource結構類型來描述。
Linux管理IO region：
1) request_region()
把一個給定區間的IO端口分配給一個IO設備。
2) check_region()
檢查一個給定區間的IO端口是否空閒，或者其中一些是否已經分配給某個IO設備。
3) release_region()
釋放以前分配給一個IO設備的給定區間的IO端口。
Linux中可以通過以下輔助函數來訪問IO端口：
inb(),inw(),inl(),outb(),outw(),outl()
“b”“w”“l”分別代表8位，16位，32位。
對IO內存資源的訪問
1) request_mem_region()
請求分配指定的IO內存資源。
2) check_mem_region()
檢查指定的IO內存資源是否已被佔用。
3) release_mem_region()
釋放指定的IO內存資源。
其中傳給函數的start address參數是內存區的物理地址（以上函數參數表已省略）。
驅動開發人員可以將內存映射方式的IO端口和外設內存統一看作是IO內存資源。
ioremap()用來將IO資源的物理地址映射到內核虛地址空間（3GB - 4GB）中，參數addr是指向內核虛地址的指針。
Linux中可以通過以下輔助函數來訪問IO內存資源：
readb(),readw(),readl(),writeb(),writew(),writel()。
Linux在kernel/resource.c文件中定義了全局變量ioport_resource和iomem_resource，來分別描述基於IO映射方式的整個IO端口空間和基於內存映射方式的IO內存資源空間（包括IO端口和外設內存）。