MMIO 转自  https://www.cnblogs.com/idorax/p/7691334.html

关于pci设备的地址空间：   看  PCI到PCIE ：https://zhuanlan.zhihu.com/p/26172972

                                              https://zhuanlan.zhihu.com/p/26244141

Linux中的地址空间和IO地址空间   https://blog.csdn.net/godleading/article/details/18702029

IO空间-----IO端口和IO内存

地址的概念

1）物理地址：CPU地址总线传来的地址，由硬件 电路控制其具体含义。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，这是由硬件设计来决定的，因此在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，因为还有一部分要给总线用（总线上还挂着别的 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产生的信号。外设使用的是总线地址，CPU使用的是物理地址。
        物理地址与总线地址之间的关系由系统的设计决定的。在x86平台上，物理地址就是总线地址，这是因为它们共享相同的地址空间——这句话有点难理解，详见下 面的“独立编址”。在其他平台上，可能需要转换/映射。比如：CPU需要访问物理地址是0xfa000的单元，那么在x86平台上，会产生一个PCI总线 上对0xfa000地址的访问。因为物理地址和总线地址相同，所以凭眼睛看是不能确定这个地址是用在哪儿的，它或者在内存中，或者是某个卡上的存储单元， 甚至可能这个地址上没有对应的存储器。

3）虚拟地址：现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（Virtual Memory Management）机制，这需要MMU（Memory Management Unit）的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被 内存芯片（物理内存）接收，这称为物理地址（Physical Address），如果处理器启用了MMU，CPU执行单元发出的内存地址将被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，也就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。用户空间分布为0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于0xC0000000）
，剩下的1G为内核空间。程序员只能使用虚拟地址。系统中每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。
        CPU发出取指令请求时的地址是当前上下文的虚拟地址，MMU再从页表中找到这个虚拟地址的物理地址，完成取指。同样读取数据的也是虚拟地址，比如mov ax, var. 编译时var就是一个虚拟地址，也是通过MMU从也表中来找到物理地址，再产生总线时序，完成取数据的。

IO端口和IO内存

外设中的寄存器被称为I/O端口，外设中的内存被称为I/O内存。二者合起来统称为I/O空间。

I/O端口
端口（port）是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的。CPU通过这些地址即端口向接口电路中的寄存器发送命令，读取状态和传送数据。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。

IO内存
例如，在PC上可以插上一块图形卡，有2MB的存储空间，甚至可能还带有ROM,其中装有可执行代码。

IO空间和内存空间&&IO端口和IO内存：

CPU会访问的设备一般有内存和外设寄存器，如下图，x86采用独立编制将内存操作与外设IO操作分开了才有了内存空间和IO空间的区别。x86平台cpu内部对内存和外设寄存器访问的指令也是不同的。arm等其他平台都采用统一编址，不区分内存和外设的访问。（X86体系中，具有两个地址空间：IO空间和内存空间，而RISC指令系统的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间，即内存空间。）

内存空间：内存地址寻址范围，32位操作系统内存空间为2的32次幂，即4G。

IO空间：X86特有的一个空间，与内存空间彼此独立的地址空间，32位X86有64K的IO空间。

IO端口：当寄存器或内存位于IO空间时，称为IO端口。一般寄存器也俗称I/O端口,或者说I/O ports,这个I/O端口可以被映射在Memory Space,也可以被映射在I/O Space。

IO内存：当寄存器或内存位于内存空间时，称为IO内存。

根据访问外设寄存器的不同方式对CPU分类：

  【设备驱动程序要直接访问外设或其接口卡上的物理电路，这部分通常都是以寄存器的形式出现。外设寄存器称为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。根据访问外设寄存器的不同方式，可以把 CPU分成两大类。

　　一类CPU（如M68K，Power PC，ARM，Unicore等）把这些寄存器看作内存的一部分，寄存器参与内存统一编址，访问寄存器就通过访问一般的内存指令进行，所以，这种CPU没有专门用于设备I/O的指令（可以以此判定体系为哪种）。这就是所谓的“I/O内存”方式。

　　另一类CPU（如X86）将外设的寄存器看成一个独立的地址空间，所以访问内存的指令不能用来访问这些寄存 器，而要为对外设寄存器的读／写设置专用指令，如IN和OUT指令。这就是所谓的” I/O端口”方式 。但是，用于I/O指令的“地址空间”相对来说是很小的。事实上，现在x86的I/O地址空间已经非常拥挤。

　　但是，随着计算机技术的发 展，单纯的”I/O端口"方式无法满足实际需要了，因为这种方式只能对外设中的几个寄存器进行操作。而实际上，需求在不断发生变化，例如，在PC上可以插上一 块图形卡，有2MB的存储空间(设备内存），甚至可能还带有ROM,其中装有可执行代码。自从PCI总线出现后，不管CPU的设计采用I/O端口方式还是I/O内存方式，都必须将外设卡上的存储器映射到内存空间，实际上是采用了虚存空间的手段，这样的映射是通过ioremap（）来建立的。

1. CPU是i386架构的情况在i386系列的处理中，内存和外部IO是独立编址，也是独立寻址的。MEM的内存空间是32位可以寻址到4G，IO空间是16位可以寻址到64K。

2. 在Linux内核中，访问外设上的IO Port必须通过IO Port的寻址方式。而访问IO Mem就比较罗嗦，外部MEM不能和主存一样访问，虽然大小上不相上下，可是外部MEM是没有在系统中注册的。访问外部IO MEM必须通过remap映射到内核的MEM空间后才能访问。为了达到接口的同一性，内核提供了IO Port到IO Mem的映射函数。映射后IO Port就可以看作是IO Mem，按照IO Mem的访问方式即可。

3. CPU是ARM 或PPC或Unicore 架构的情况：

　　在这一类的嵌入式处理器中，IO Port的寻址方式是采用内存映射，也就是IO bus就是Mem bus。系统的寻址能力如果是32位，IO Port＋Mem（包括IO Mem）可以达到4G。

　　访问这类IO Port时，我们也可以用IO Port专用寻址方式。至于在对IO Port寻址时，内核是具体如何完成的，这个在内核移植时就已经完成。在这种架构的处理器中，仍然保持对IO Port的支持，完全是i386架构遗留下来的问题，在此不多讨论。而访问IO Mem的方式和i386一致。

　　RISC指令系统的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间，外设I/O端口成为内存的一部分。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。

】

外设IO端口物理地址的编制方式

先有个概念，I/O端口是CPU对外部设备的抽象。 对一个CPU来说，所有它所管理(或访问)的资源无非包括：

　　1.寄存器组。粗糙的划分通常包括通用寄存器组(x86中就是你用的ex,bx等寄存器)，特殊寄存器组(如标志寄存器，timer,interrupt等，当然这些设备你可以看作外部设备) 。

　　2.存储器。粗糙的划分通常包括程序存储器，数据存储器。

　　3.外部设备。比如打印机，PCI桥，USB等等。另外上面timer,interrupt等等有时也按外部设备处理。
把这些资源统统放在一个大的集合中，就构成了CPU所管理的资源集。CPU管理这些资源时需要为这个集合中每个元素分配一个标志来区分。这个标志就是地址。
编码地址由下面几个要素组成：
地址 = {资源类别，资源大小}；
　　对CPU指令来说， 通常资源类别编码在指令码中(如i独立编址)，也有编码在地址码中(如统一编址)，还有直接硬件区分(如哈佛结构的程序存储器与数据存储器分开)。比如x86的in，inp，outp指令，实际上指令码本身就编码有资源类别信息。 资源大小编码在地址码中。 
按照上面的模型，那么CPU所有资源都可以以地址：

{资源类别，资源大小} 来找到。

　　这里I/O端口就对应实际的物理设备，而I/O空间地址就是该物理设备对应的标志码及设备地址。可以这样说，I/O Space代表所有I/O设备集合，而I/O端口是该集合中的一个元素。 (当然有时直接称I/O端口就是外部设备地址) 。IO 端口和 IO Space 的关系，其实就和 “虚拟地址和地址空间” 的关系一样。 例：虚拟地址 00401000 在 虚拟地址空间：0~FFFFFFFF 中。 IO 端口是个物理地址，IO Space 是个物理地址空间。

　　深入一点来说： IO 地址空间范围：0000 ~ FFFF 共16位的空间里，分两种类型映射：固定映射和可变映射。 固定映射，比如 70/71 这些地址是固定的。 可变映射通过对芯片组控制（如南桥）将设备映射在可变地址空间。
　　更进一步来说： IO 地址既可映射到 IO Space（独立编址），有些设备IO地址也可映射到 Memory space （统一编址）中去。同样对（北桥，南桥）进行设置，象 in al,71h 这条指令地址送往 south bridge（南桥）解析，典型就是 cmos 的地址。[转自 https://www.cnblogs.com/hydah/archive/2011/11/01/2232117.html]

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。

1、统一编址

RISC指令系统的CPU（如，PowerPC、m68k、ARM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。

统一编址也称为“I/O内存”方式，外设寄存器位于“内存空间”（很多外设有自己的内存、缓冲区，外设的寄存器和内存统称“I/O空间”）。

2、独立编址

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）。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。

独立编址也称为“I/O端口”方式，外设寄存器位于“I/O（地址）空间”。

3、优缺点

独立编址主要优点是：

1）I/O端口地址不占用存储器空间；使用专门的I／O指令对端口进行操作，I/O指令短，执行速度快。

2）并且由于专门I/O指令与存储器访问指令有明显的区别，使程序中I/O操作和存储器操作层次清晰，程序的可读性强。

3）同时，由于使用专门的I/O指令访问端口，并且I/O端口地址和存储器地址是分开的，故I/O端口地址和存储器地址可以重叠，而不会相互混淆。

4）译码电路比较简单(因为I/0端口的地址空间一般较小，所用地址线也就较少)。

其缺点是：只能用专门的I/0指令，访问端口的方法不如访问存储器的方法多。

统一编址优点：

1）由于对I/O设备的访问是使用访问存储器的指令，所以指令类型多，功能齐全，这不仅使访问I/O端口可实现输入/输出操作，而且还可对端口内容进行算术逻辑运算，移位等等；

2）另外，能给端口有较大的编址空间，这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的。

这种方式的缺点是端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小，另外指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢。

究竟采用哪一种取决于系统的总体设计。在一个系统中也可以同时使用两种方式，前提是首先要支持I/O独立编址。Intel的x86微处理器都支持I/O 独立编址，因为它们的指令系统中都有I/O指令，并设置了可以区分I/O访问和存储器访问的控制信号引脚。而一些微处理器或单片机，为了减少引脚，从而减 少芯片占用面积，不支持I/O独立编址，只能采用存储器统一编址。

Linux下访问IO端口

对于某一既定的系统，它要么是独立编址、要么是统一编址，具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。 如，PowerPC、m68k等采用统一编址，而X86等则采用独立编址，存在IO空间的概念。

目前，大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并不提供I/O空间，仅有内存空间，可直接用地址、指针访问。但对于Linux内核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必须都要考虑这两种方式，于是它采用一种新的方法，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），不论你采用哪种方式，都要先申请IO区域：request_resource()，结束时释放它：release_resource()。

IO region是一种IO资源，因此它可以用resource结构类型来描述。

访问IO端口有2种途径：I/O映射方式（I/O－mapped）、内存映射方式（Memory－mapped）。前一种途径不映射到内存空间，直接使用 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”），再使用访问IO内存的函数来访问 IO端口。

1、I/O映射方式

直接使用IO端口操作函数：在设备打开或驱动模块被加载时申请IO端口区域，之后使用inb(),outb()等进行端口访问，最后在设备关闭或驱动被卸载时释放IO端口范围。

in、out、ins和outs汇编语言指令都可以访问I/O端口。内核中包含了以下辅助函数来简化这种访问：

inb( )、inw( )、inl( )
分别从I/O端口读取1、2或4个连续字节。后缀“b”、“w”、“l”分别代表一个字节（8位）、一个字（16位）以及一个长整型（32位）。

inb_p( )、inw_p( )、inl_p( )
分别从I/O端口读取1、2或4个连续字节，然后执行一条“哑元（dummy，即空指令）”指令使CPU暂停。

outb( )、outw( )、outl( )
分别向一个I/O端口写入1、2或4个连续字节。

outb_p( )、outw_p( )、outl_p( )
分别向一个I/O端口写入1、2或4个连续字节，然后执行一条“哑元”指令使CPU暂停。

insb( )、insw( )、insl( )
分别从I/O端口读入以1、2或4个字节为一组的连续字节序列。字节序列的长度由该函数的参数给出。

outsb( )、outsw( )、outsl( )
分别向I/O端口写入以1、2或4个字节为一组的连续字节序列。

流程如下：

虽然访问I/O端口非常简单，但是检测哪些I/O端口已经分配给I/O设备可能就不这么简单了，对基于ISA总线的系统来说更是如此。通常，I/O设备驱动程序为了探测硬件设备，需要盲目地向某一I/O端口写入数据；但是，如果其他硬件设备已经使用这个端口，那么系统就会崩溃。为了防止这种情况的发生，内核必须使用“资源”来记录分配给每个硬件设备的I/O端口。资源表示某个实体的一部分，这部分被互斥地分配给设备驱动程序。在这里，资源表示I/O端口地址的一个范围。每个资源对应的信息存放在resource数据结构中:

1.struct resource { 

2.         resource_size_t start;// 资源范围的开始 

3.         resource_size_t end;// 资源范围的结束 

4.         const char *name; //资源拥有者的名字 

5.         unsigned long flags;// 各种标志 

6.         struct resource *parent, *sibling, *child;// 指向资源树中父亲，兄弟和**的指针 

}; 

所有的同种资源都插入到一个树型数据结构（父亲、兄弟和**）中；例如，表示I/O端口地址范围的所有资源都包括在一个根节点为ioport_resource的树中。节点的**被收集在一个链表中，其第一个元素由child指向。sibling字段指向链表中的下一个节点。

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为什么使用树？例如，考虑一下IDE硬盘接口所使用的I/O端口地址－比如说从0xf000 到 0xf00f。那么，start字段为0xf000 且end 字段为0xf00f的这样一个资源包含在树中，控制器的常规名字存放在name字段中。但是，IDE设备驱动程序需要记住另外的信息，也就是IDE链主盘使用0xf000 到0xf007的子范围，从盘使用0xf008 到0xf00f的子范围。为了做到这点，设备驱动程序把两个子范围对应的**插入到从0xf000 到0xf00f的整个范围对应的资源下。

一般来说，树中的每个节点肯定相当于父节点对应范围的一个子范围。I/O端口资源树(ioport_resource)的根节点跨越了整个I/O地址空间（从端口0到65535）。

任何设备驱动程序都可以使用下面三个函数，传递给它们的参数为资源树的根节点和要插入的新资源数据结构的地址：

request_resource( )        //把一个给定范围分配给一个I/O设备。

allocate_resource( )        //在资源树中寻找一个给定大小和排列方式的可用范围；若存在，将这个范围分配给一个I/O设备（主要由PCI设备驱动程序使用，可以使用任意的端口号和主板上的内存地址对其进行配置）。

release_resource( )      //释放以前分配给I/O设备的给定范围。

内核也为以上函数定义了一些应用于I/O端口的快捷函数：request_region( )分配I/O端口的给定范围，release_region( )释放以前分配给I/O端口的范围。当前分配给I/O设备的所有I/O地址的树都可以从/proc/ioports文件中获得。

2、内存映射方式

将IO端口映射为内存进行访问，在设备打开或驱动模块被加载时，申请IO端口区域并使用ioport_map()映射到内存，之后使用IO内存的函数进行端口访问，最后，在设备关闭或驱动模块被卸载时释放IO端口并释放映射。

映射函数的原型为：

void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);

通过这个函数，可以把port开始的count个连续的I/O端口重映射为一段“内存空间”。然后就可以在其返回的地址上像访问I/O内存一样访问这些I/O端口。但请注意，在进行映射前，还必须通过request_region( )分配I/O端口。

当不再需要这种映射时，需要调用下面的函数来撤消：

void ioport_unmap(void *addr);

在设备的物理地址被映射到虚拟地址之后，尽管可以直接通过指针访问这些地址，但是宜使用Linux内核的如下一组函数来完成访问I/O内存：

读I/O内存

unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
与上述函数对应的较早版本的函数为（这些函数在Linux 2.6中仍然被支持）：
unsigned readb(address);
unsigned readw(address);
unsigned readl(address);
写I/O内存
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);
与上述函数对应的较早版本的函数为（这些函数在Linux 2.6中仍然被支持）：
void writeb(unsigned value, address);
void writew(unsigned value, address);
void writel(unsigned value, address);

流程如下：

 Linux下访问IO内存

IO内存的访问方法是：首先调用request_mem_region()申请资源，接着将寄存器地址通过ioremap()映射到内核空间的虚拟地址，之后就可以Linux设备访问编程接口访问这些寄存器了，访问完成后，使用ioremap()对申请的虚拟地址进行释放，并释放release_mem_region()申请的IO内存资源。

struct resource *requset_mem_region(unsigned long start, unsigned long len,char *name);

这个函数从内核申请len个内存地址（在3G~4G之间的虚地址），而这里的start为I/O物理地址，name为设备的名称。注意，。如果分配成功，则返回非NULL，否则，返回NULL。

另外，可以通过/proc/iomem查看系统给各种设备的内存范围。

要释放所申请的I/O内存，应当使用release_mem_region（）函数：

void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len)

申请一组I/O内存后， 调用ioremap()函数：

void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);

其中三个参数的含义为：
phys_addr：与requset_mem_region函数中参数start相同的I/O物理地址；
size：要映射的空间的大小；
flags：要映射的IO空间的和权限有关的标志；

功能：将一个I/O地址空间映射到内核的虚拟地址空间上(通过release_mem_region（）申请到的)

流程如下：

ioremap和ioport_map函数

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[转自 https://www.icxbk.com/news/detail/83596.html]

pcie的内存地址空间，IO地址空间，和配置地址空间

pci设备与其他接口的设备（如i2c设备）最大的不同是存在内存地址空间和配置地址空间。

 PCI设备的内存空间：

常见的设备都只提供寄存器供CPU访问，对于低速外设这样的模式是足够的。但是对于需要大量，高速数据交互的外设就需要引入外设内存空间了。在网卡,显卡这样的pci高速外设中不仅有寄存器还有一块内存。

PCI设备的配置空间和IO空间区别：

配置空间和IO空间都是外设的寄存器吗，有啥区别？