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                     如何在 Linux 下撰写程式来使用 I/O 埠
                                       
作者: Riku Saikkonen <[e-mail]>
译者: Da-Wei Chiang <[e-mail]>

   v, 28 December 1997 翻译日期: 22 Jul. - 1 Aug. 1998
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   本文的内容说明了 Intel x86 架构下如何在使用者模式 (user-mode) 中撰写程
   式来使用硬体I/O 埠以及等待一小段的时间周期.
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1. 介绍

2. 如何在 C 语言下使用 I/O 埠

     * 2.1 正规的方法
     * 2.2 另一个替代的方法: /dev/port
       
3. 硬体中断 (IRQs) 与 DMA 存取

4. 高精确的时序

     * 4.1 延迟时间
     * 4.2 时间的量测
       
5. 使用其他程式语言

6. 一些有用的 I/O 埠

     * 6.1 并列埠 (parallel port)
     * 6.2 游戏 (操纵□) 埠 (game port)
     * 6.3 串列埠 (serial port)
       
7. 提示

8. 问题排除

9. 程式码□例

10. 致谢
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1. 介绍

   本文的内容说明了 Intel x86 架构下如何在使用者模式 (user-mode) 中撰写程
   式来使用硬体 I/O 埠以及等待一小段的时间周期. 内容源自於一篇非常短的文章
   IO-Port mini-HOWTO 其作者与本文同.
   
   本文 1995-1997 的版权属於 Riku Saikkonen 所有. 版权声明详见网页
   [1]Linux HOWTO copyright.
   
   如果您对本文有任何指教不论是错误修正或是内容补述, 都欢迎寄信给我
   ([e-mail])...
   
   本文对前一次发行的版本 (Mar 30 1997) 作了如下的修正:
   
     * 对於 inb_p/outb_p 和埠位址 0x80 之间的关系做出了澄清.
     * 删除了关於 udelay() 函式的资料, 因为 nanosleep() 函式 提供了比较明
       确的使用方法.
     * 将内容转换成 Linuxdoc-SGML 格式, 并且重新作了些许的编排.
     * 对很多地方作了些许的补述与修正.
       
2. 如何在 C 语言下使用 I/O 埠

2.1 正规的方法

   用来存取 I/O 埠的常式 (Routine) 都放在档案 /usr/include/asm/io.h 里 (或
   放在核心原始码程式集的 linux/include/asm-i386/io.h 档案里). 这些常式是
   以单行巨集 (inline macros) 的方式写成的, 所以使用时只要以 #include
   <asm/io.h> 的方式引用就够了; 不需要附加任何函式馆 (libraries).
   
   译注: 常式(Routine) 通常是指系统呼叫(System Call)与函式(Function)的总
   称.
   
   因为 gcc (至少出现在 2.7.2.3 和以前的版本) 以及 egcs (所有的版本) 的限
   制, 你在编译任何使用到这些常式的原始码时 必须 打开最佳化选项 (gcc -O1
   或较高层次的), 或者是在做 #include <asm/io.h> 这个动作前使用 #define
   extern 将 extern 定义成空白.
   
   为了除错的目的, 你编译时可以使用 gcc -g -O (至少现在的 gcc 版本是这
   样), 但是最佳化之後有时可能会让除错器 (debugger) 的行为变的有点奇怪. 如
   果这个状况对你而言是个困扰, 你可以将所有使用到 I/O 埠的常式集中放在一个
   档案里并只在编译该档案时□打开最佳化选项.
   
   在你存取任何 I/O 埠之前, 你必须让你的程式有如此做的权限. 要达成这个目的
   你可以在你的程式一开始的地方 (但是要在任何 I/O 埠存取动作之前) 呼叫
   ioperm() 这个函式 (该函式被宣告於档案 unistd.h , 并且被定义在 核心中).
   使用语法是 ioperm(from, num, turn_on), 其中 from 是第一个允许存取的
   I/O 埠位址, num 是接著连续存取 I/O 埠位址的数目. 例如, ioperm(0x300,
   5, 1) 的意思就是说允许存取埠 0x300 到 0x304 (一共五个埠位址). 而最後一
   个参数是一个布林代数值用来指定是否 给予程式存取 I/O 埠的权限 (true
   (1)) 或是除去存取的权限 (false (0)). 你 可以多次呼叫函式 ioperm() 以便
   使用多个不连续的埠位址. 至於语法的细节请 参考 ioperm(2) 的使用说明文
   件.
   
   你的程式必须拥有 root 的权限□能呼叫函式 ioperm() ; 所以你如果不是以
   root 的身份执行该程式, 就是得将该程式 setuid 成 root. 当你呼叫过函式
   ioperm() 打开 I/O 埠的存取权限後你便可以拿掉 root 的权限. 在你的程式结
   束之後并不特别 要求你以 ioperm(..., 0) 这个方式拿掉 I/O 埠的存取权限;
   因为当你的程式 执行完毕之後这个动作会自动完成.
   
   呼叫函式 setuid() 将目前执行程式的有效使用者识别码 (ID) 设定成非 root
   的使用者并不影响其先前以 ioperm() 的方式所取得的 I/O 埠存取权限, 但是呼
   叫函式 fork() 的方式却会有所影响 (虽然父行程 (parent process) 保有存取
   权限, 但是子行程 (child process) 却无法取得存取权限).
   
   函式 ioperm() 只能让你取得埠位址 0x000 到 0x3ff 的存取权限; 至於 较高位
   址的埠, 你得使用函式 iopl() (该函式让你一次可以存取所有的埠位址). 将权
   限等级参数值设为 3 (例如, iopl(3)) 以便你的程式能够存取 所有的 I/O 埠
   (因此要小心 --- 如果存取到错误的埠位址将对你的电脑造成各种不可预期的损
   害. 同样地, 呼叫函式 iopl() 你得拥有 root 的权限.至於语法的细节请参考
   iopl(2) 的使用说明文件.
   
   接著, 我们来实际地存取 I/O 埠... 要从某个埠位址输入一个 byte (8 个
   bits) 的资料, 你得呼叫函式 inb(port) , 该函式会传回所取得的一个 byte 的
   资料. 要输出一个 byte 的资料, 你得呼叫函式 outb(value, port) (请记住参
   数的次序). 要从某二个埠位址 x 和 x+1 (二个 byte 组成一个 word, 故使用组
   合语言 指令 inw) 输入一个 word (16 个 bits) 的资料, 你得呼叫函式
   inw(x) ; 要输出一个 word 的资料到二个埠位址, 你得呼叫函式 outw(value,
   x) . 如果你不确定使用那个埠指令 (byte 或 word), 你大概须要 inb() 与
   outb() 这二个埠指令 --- 因为大多数的装置都是采用 byte 大小的埠存取方式
   来设计的. 注意所有的埠存取指令都至少需要大约一微秒的时间来执行.
   
   如果你使用的是 inb_p(), outb_p(), inw_p(), 以及 outw_p() 等巨集指令, 在
   你对埠位作址存取动作之後只需很短的(大约一微秒)延迟时间就可以完成; 你也
   可以让延迟时间变成大约四微秒方法是在使用 #include <asm/io.h> 之前使用
   #define REALLY_SLOW_IO. 这些巨集指令通常 (除非你使用的是 #define
   SLOW_IO_BY_JUMPING, 这个方法可能较不准确) 会利用输出资料到埠位址 0x80
   以便达到延迟时间的目的, 所以你得先以函式 ioperm() 取得埠位址 0x80 的使
   用权限 (输出资料到埠位址 0x80 不应该会对系统的其他其他部分造成影响). 至
   於 其他通用的延迟时间的方法, 请继续读下去.
   
   ioperm(2), iopl(2) 等函式, 和上面所述及的巨集指令的使用说明会收录在 最
   近出版的 Linux 使用说明文件集中.
   
2.2 另一个替代的方法: /dev/port

   另一个存取 I/O 埠的方法是以函式 open() 开启档案 /dev/port (一个字元装
   置,主要装置编号为 1, 次要装置编号为 4) 以便执行读且/或写的动作 (注意标
   准输出入 (stdio) 函式 f*() 有内部的缓冲 (buffering), 所以要避免使用).
   接著使用 lseek() 函式以便在该字元装置档案中找到某个 byte 资料的正确位置
   (档案位置 0 = 埠位址 0x00, 档案位置 1 = 埠位址 0x01, 以此类推), 然後你
   可以使用 read() 或 write() 函式对某个埠位址做读或写一个 byte 或 word 资
   料的动作.
   
   这个替代的方法就是在你的程式里使用 read/write 函式来存取 /dev/port 字元
   装置档案. 这个方法的执行速度或许比前面所讲的一般方法还慢, 但是不需要编
   译器 的最佳化功能也不需要使用函式 ioperm() . 如果你允许非 root 使用者或
   群组存取 /dev/port 字元设装置案, 操作时就不需拥有 root 权限 -- 但是对於
   系统安全而言 是个非常糟糕的事情, 因为他可能伤害到你的系统, 或许会有人因
   而取的 root 的权限, 利用 /dev/port 字元装置档案直接存取硬碟, 网路卡, 等
   设备.
   
3. 硬体中断 (IRQs) 与 DMA 存取

   你的程式如果在使用者模式 (user-mode) 下执行不可以直接使用硬体中断
   (IRQs) 或 DMA. 你必需撰写一个核心驱动程式; 相关的细节请参考网页 [2]The
   Linux Kernel Hacker's Guide 以及拿核心程式原始码来当□例.
   
   也就是说, 你在使用者模式 (user-mode) 中所写的程式无法抑制硬体中断的产
   生.
   
4. 高精确的时序

4.1 延迟时间

   首先, 我会说不保证你在使用者模式 (user-mode) 中执行的行程 (process) 能
   够精确地控制时序因为 Linux 是个多工的作业环境. 你在执行中的行程
   (process) 随时会因为各种原因被暂停大约 10 毫秒到数秒 (在系统负荷非常高
   的时候). 然而, 对於大多数使用 I/O 埠的应用而言, 这个延迟时间实际上算不
   了什麽. 要缩短延迟时间, 你得使用函式 nice 将你在执行中的行程 (process
   ) 设定成高优先权(请参考 nice(2) 使用说明文件) 或使用即时排程法
   (real-time scheduling) (请看下面).
   
   如果你想获得比在一般使用者模式 (user-mode) 中执行的行程 (process) 还要
   精确的时序, 有一些方法可以让你在使用者模式 (user-mode) 中做到 `即时' 排
   程的支援. Linux 2.x 版本的核心中有软体方式的即时排程支援; 详细的说明请
   参考 sched_setscheduler(2) 使用说明文件. 有一个特殊的核心支援硬体的即时
   排程; 详细的资讯请参考网页 [3]http://luz.cs.nmt.edu/~rtlinux/
   
  休息中 (Sleeping) : sleep() 与 usleep()
  
   现在, 让我们开始较简单的时序函式呼叫. 想要延迟数秒的时间, 最佳的方法大
   概 是使用函式 sleep() . 想要延迟至少数十毫秒的时间 (10 ms 似乎已是最短
   的 延迟时间了), 函式 usleep() 应该可以使用. 这些函式是让出 CPU 的使用权
   给其他想要执行的行程 (processes) (``自己休息去了''), 所以没有浪费掉
   CPU 的时间. 细节请参考 sleep(3) 与 usleep(3) 的说明文件.
   
   如果让出 CPU 的使用权因而使得时间延迟了大约 50 毫秒 (这取决於处理器与机