io-port-programming.txt

Linux百科宝典 书籍语言： 简体中文 书籍类型： 系统专区 授权方式： 免费软件 书籍大小： 1024 KB

   器的速度, 以及系统的负荷), 就浪费掉 CPU 太多的时间, 因为 Linux 的排程器
   (scheduler) (单就 x86 架构而言) 在将控制权发还给你的行程 (process) 之前
   通常至少要花费 10-30 毫秒的时间. 因此, 短时间的延迟, 使用函式
   usleep(3) 所得到的延迟结果通常会大於你在参数所指定的值, 大约至少有 10
   ms.
   
  nanosleep()
  
   在 Linux 2.0.x 一系列的核心发行版本中, 有一个新的系统呼叫 (system
   call), nanosleep() (请参考 nanosleep(2) 的说明文件), 他让你能够 休息或
   延迟一个短的时间 (数微秒或更多).
   
   如果延迟的时间 <= 2 ms, 若(且唯若)你执行中的行程 (process) 设定了软体的
   即时 排程 (就是使用函式 tt/sched_setscheduler()/), 呼叫函式
   nanosleep() 时 不是使用一个忙碌回圈来延迟时间; 就是会像函式 usleep() 一
   样让出 CPU 的使用权休息去了.
   
   这个忙碌回圈使用函式 udelay() (一个驱动程式常会用到的核心内部的函式) 来
   达成, 并且使用 BogoMips 值 (BogoMips 可以准确量测这类忙碌回圈的速度) 来
   计算回圈延迟的时间长度. 其如何动作的细节请参考
   /usr/include/asm/delay.h).
   
  使用 I/O 埠来延迟时间
  
   另一个延迟数微秒的方法是使用 I/O 埠. 就是从埠位址 0x80 输入或输出任何
   byte 的资料 (请参考前面) 等待的时间应该几乎只要 1 微秒这要看你的处理器
   的型别与速度. 如果要延迟数微秒的时间你可以将这个动作多做几次. 在任何标
   准的机器上输出资料到该 埠位址应该不会有不良的後果□对 (而且有些核心的设
   备驱动程式也在使用他). {in|out}[bw]_p() 等函式就是使用这个方法来产生时
   间延迟的 (请参考档案 asm/io.h).
   
   实际上, 一个使用到埠位址□围为 0-0x3ff 的 I/O 埠指令几乎只要 1 微秒的时
   间, 所以如果你要如此做, 例如, 直接使用并列埠, 只要加上几个 inb() 函式从
   该 埠位址□围读入 byte 的资料即可.
   
  使用组合语言来延迟时间
  
   如果你知道执行程式所在机器的处理器型别与时钟速度, 你可以执行某些组合语
   言指令以便获得较短的延迟时间 (但是记住, 你在执行中的行程 (process) 随时
   会被暂停, 所以有时延迟的时间会比实际长). 如下面的表格所示, 内部处理器的
   速度决定了所要使用的时钟周期数; 如, 一个 50 MHz 的处理器 (486DX-50 或
   486DX2-50), 一个时钟周期要花费 1/50000000 秒 (=200 奈秒).
   
指令          i386 时钟周期数       i486 时钟周期数
nop                   3                   1
xchg %ax,%ax          3                   3
or %ax,%ax            2                   1
mov %ax,%ax           2                   1
add %ax,0             2                   1

   (对不起, 我不知道 Pentiums 的资料, 或许与 i486 接近吧. 我无法在 i386 的
   资料上找到只花费一个时钟周期的指令. 如果能够就请使用花费一个时钟周期的
   指令, 要不然就使用管线技术的新式处理器也是可以缩短时间的.)
   
   上面的表格中指令 nop 与 xchg 应该不会有不良的後果. 指令最後可能会 改变
   旗号暂存器的内容, 但是这没关系因为 gcc 会处理. 指令 nop 是个好的选择.
   
   想要在你的程式中使用到这些指令, 你得使用 asm("instruction"). 指令的语法
   就如同上面表格的用法; 如果你想要在单一的 asm() 叙述中使用多个指令, 可以
   使用分号将他们隔开. 例如, asm("nop ; nop ; nop ; nop") 会执行四个 nop
   指令, 在 i486 或 Pentium 处理器中会延迟四个时钟周期 (或是 i386 会延迟
   12 个时钟周期).
   
   gcc 会将 asm() 翻译成单行组合语言程式码, 所以不会有呼叫函式的负荷.
   
   在 Intel x86 架构中不可能有比一个时钟周期还短的时间延迟.
   
  在 Pentiums 处理器上使用函式 rdtsc
  
   对於 Pentiums 处理器而言, 你可以使用下面的 C 语言程式码来取得自从上次重
   新开机 到现在经过了多少个时钟周期:
       ______________________________________________________________
     
   extern __inline__ unsigned long long int rdtsc()
   {
     unsigned long long int x;
     __asm__ volatile (".byte 0x0f, 0x31" : "=A" (x));
     return x;
   }
       ______________________________________________________________
     
   你可以询问参考此值以便延迟你想要的时钟周期数.
   
4.2 时间的量测

   想要时间精确到一秒钟, 使用函式 time() 或许是最简单的方法. 想要时间更精
   确, 函式 gettimeofday() 大约可以精确到微秒 (但是如前所述会受到 CPU 排程
   的影响). 至於 Pentiums 处理器, 使用上面的程式码片断就可以精确到一个时钟
   周期.
   
   如果你要你执行中的行程 (process) 在一段时间到了之後能够被通知 (get a
   signal), 你得使用函式 setitimer() 或 alarm() . 细节请参考函式的使用说明
   文件.
   
5. 使用其他程式语言

   上面的说明集中在 C 程式语言. 他应该可以直接应用在 C++ 及 Objective C 之
   上. 至於组合语言部分, 虽然你必须先在 C 语言中呼叫函式 ioperm() 或
   iopl() , 但是之後你就可以直接使用 I/O 埠读写指令.
   
   至於其他程式语言, 除非你可以在该程式语言中插入单行组合语言或 C 语言之程
   式码或者使用上面所说的系统呼叫, 否则倒不如撰写一个内含有存取 I/O 埠或延
   迟时间所必需函式之简单的 C 原始程式码或许还比较容易, 编译之後再与你的程
   式链结. 要不然就是使用前面所说的 /dev/port 字元装置档案.
   
6. 一些有用的 I/O 埠

   本节提供一些常用 I/O 埠的程式撰写资讯这些都是可以直接拿来用的一般目的
   TTL (或 CMOS) 逻辑位准的 I/O 埠.
   
   如果你要按照其原始的设计目的来使用这些或其他常用的I/O 埠 (例如, 控制一
   般的印表机或数据机), 你应该会使用现成的装置驱动程式 (他通常被含在核心
   中) 而不会如本文所说地去撰写 I/O 埠程式. 本节主要是提供给那些想要将
   LCD 显示器, 步进马达, 或是其他商业电子产品 连接到 PC 标准 I/O 埠的人.
   
   如果你想要控制大众市场所贩卖的装置像是扫描器 (已经在市场贩卖了一段期
   间), 去找看看是否有现成的 Linux 装置驱动程式. 网页 [4]Hardware-HOWTO 是
   个好的参考起点.
   
   至於想要知道更多有关如何连接电子装置到电脑(以及一般的电子学原理)的相关
   资讯则网页 [5]http://www.hut.fi/Misc/Electronics/ 是个好的资料来源.
   
6.1 并列埠 (parallel port)

   并列埠的基本埠位址 (以下称之为 ``BASE'') 之於 /dev/lp0 是 0x3bc , 之於
   /dev/lp1 是 0x378 , 之於 /dev/lp2 是 0x278 . 如果你只是想要控制一些像是
   一般印表机的动作, 可以参考网页 [6]Printing-HOWTO.
   
   除了下面即将描述的标准仅输出 (output-only) 模式, 大多数的并列埠都有 `扩
   充的' 双向 (bidirectional) 模式. 至於较新的 ECP/EPP 模式 (以及一般的
   IEEE 1284 标准) 埠口的相关资料, 可以参考网页 [7]http://www.fapo.com/ 以
   及 [8]http://www.senet.com.au/~cpeacock/parallel.htm. 因为在使用者模式
   (user-mode) 中的程式无法使用 IRQs 或 DMA, 想要使用 ECP/EPP 模式你或许得
   撰写一个核心的装置驱动程式; 我想应该有人写了这类的装置驱动程式, 但是详
   情我并不知道.
   
   埠位址 BASE+0 (资料埠) 用来控制资料埠的信号位准 (D0 到 D7 分别代表著
   bits 0 到 7, 位准状态: 0 = 低位准 (0 V), 1 = 高位准 (5 V)). 一个写入资
   料到该埠的动作会将资料信号位准拴住 (latches) 在埠的脚位 (pins) 上. 一个
   将该埠的资料读出的动作会将上一次以标准仅输出 (output-only) 模式或扩充的
   写入模式所拴住的资料信号位准读回, 或是以扩充读出模式 从另外一 个装置将
   脚位上的资料信号位准读回.
   
   埠位址 BASE+1 (状态埠) 是个仅读 (read-only) 的埠, 会将下面的输入信号位
   准读回:
     * Bits 0 和 1 保留不用.
     * Bit 2 IRQ 的状态 (不是个脚位 (pin) , 我不知道他的工作原理)
     * Bit 3 ERROR (1=高位准)
     * Bit 4 SLCT (1=高位准)
     * Bit 5 PE (1=高位准)
     * Bit 6 ACK (1=高位准)
     * Bit 7 -BUSY (0=高位准)
       
   (我不确定高低位准的电压状态.)
   
   埠位址 BASE+2 (控制埠) 是个仅写 (write-only) 的埠 (一个将该埠的资料读出
   的动作仅会将上一次写入的资料信号位准读回), 用来控制下面的状态信号:
     * Bit 0 -STROBE (0=高位准)
     * Bit 1 AUTO_FD_XT (1=高位准)
     * Bit 2 -INIT (0=高位准)
     * Bit 3 SLCT_IN (1=高位准)
     * Bit 4 当被设定为 1 时允许并列埠产生 IRQ 信号 (发生在 ACK 脚位的位准
       由低变高的瞬间)
     * Bit 5 用来控制扩充模式时埠的输出入方向 (0 = 写, 1 = 读), 这是个仅写
       (write-only) 的埠 (一个将该埠的资料读出的动作对此 bit 一点用处也没
       有).
     * Bits 6 and 7 保留不用.
       
   (同样地, 我不确定高低位准的电压状态.)
   
   埠的脚位排列 (Pinout) 方式 (该埠是一个 25 只脚 D 字形外壳 (D-shell) 的
   母头连接器) (i=输入, o=输出):
   
1io -STROBE, 2io D0, 3io D1, 4io D2, 5io D3, 6io D4, 7io D5, 8io D6,
9io D7, 10i ACK, 11i -BUSY, 12i PE, 13i SLCT, 14o AUTO_FD_XT,
15i ERROR, 16o -INIT, 17o SLCT_IN, 18-25 Ground

   IBM 的规格文件上说脚位 1, 14, 16, 和 17 (控制信号的输出) 采用电晶体的开
   集极 (open collector) 驱动方式必需使用 4.7 仟欧姆 (kiloohm) 的提升电阻
   接至 5 V 的电压 (可流入电流 20 mA, 流出电流 0.55 mA, 高位准的输出电压就
   是 5.0 V 减去提升电阻的电压). 剩下来的脚位可流入电流 24 mA, 流出电流
   15 mA, 高位准的输出电压最小 2.4 V. 低位准的输出电压二者都是最大 0.5 V.
   那些非 IBM 规格的并列埠或许会偏离这个标准. 更多的相关资料请参考网页
   [9]http://www.hut.fi/Misc/Electronics/circuits/lptpower.html.
   
   最後, 给你一个警告: 留心接地的问题. 我曾经在电脑还是开机的状况就去连接
   他因而 弄坏好几个并列埠. 发生了这种事情你可能会觉得还是不要将并列埠整
   合到主机板里面比较好. (你通常可以拿一片便宜的标准 `multi-I/O' 卡安装第
   二个 并列埠; 只要将其他不需要的埠停用, 然後将卡片上并列埠的埠位址设定在
   空著的位址即可. 你不需在意并列埠的 IRQ 设定, 因为通常不会被用到.)