📄 linux设备驱动程序学习（9）-与硬件通信 - linux设备驱动程序 - tekkaman ninja.htm
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<TD width="100%">
<DIV id=art style="MARGIN: 15px" width="100%">
<P align=center><STRONG><FONT color=#0000ff
size=4>Linux设备驱动程序学习（9）-与硬件通信</FONT></STRONG> </P>
<DIV><FONT color=#0000ff size=3><FONT
size=2>在学习有关I/O总线的内容时，最好先看看相关的知识：<STRONG><U><FONT
color=#02368d>从PC总线到ARM的内部总线</FONT></U></STRONG><FONT
color=#000000> </FONT></FONT></FONT></DIV>
<DIV><STRONG><FONT color=#0000ff
size=3></FONT></STRONG> </DIV>
<DIV><FONT color=#0000ff size=3><STRONG>I/O 端口和
I/O 内存</STRONG></FONT></DIV>
<P><FONT color=#000000>每种外设都是通过读写寄存器来进行控制。 </P>
<P>在硬件层，内存区和 I/O 区域没有概念上的区别:
它们都是通过向在地址总线和控制总线发出电平信号来进行访问，再通过数据总线读写数据。</P>
<P>因为外设要与I\O总线匹配，而大部分流行的 I/O 总线是基于个人计算机模型（主要是 x86
家族：它为读和写 I/O 端口提供了独立的线路和特殊的 CPU 指令），所以<FONT
color=#0000ff>即便那些没有单独I/O
端口地址空间的处理器，在访问外设时也要模拟成读写I\O端口</FONT>。这一功能通常由外围芯片组（PC
中的南北桥）或 <FONT color=#0000ff>CPU
中的附加电路实现（嵌入式中的方法）</FONT> 。</P>
<P>Linux 在所有的计算机平台上实现了 I/O 端口。但不是所有的设备都将寄存器映射到 I/O
端口。虽然ISA设备普遍使用 I/O 端口，但大部分 PCI
设备则把寄存器映射到某个内存地址区，这种 I/O
内存方法通常是首选的。因为它无需使用特殊的处理器指令，CPU
核访问内存更有效率，且编译器在访问内存时在寄存器分配和寻址模式的选择上有更多自由。
<HR id=null>
<P></P></FONT><STRONG><FONT color=#0000ff
size=3>I/O 寄存器和常规内存</FONT></STRONG>
<DIV></DIV>
<DIV>在进入这部分学习的时候，首先要理解一个概念：side
effect，书中译为边际效应，第二版译为副作用。我觉得不管它是怎么被翻译的，都不可能精准表达原作者的意思，所以我个人认为记住side
effect就好。下面来讲讲side effect的含义。我先贴出两个网上已有的两种说法（<FONT
color=#ff0000>在这里谢谢两位高人的分享</FONT>）：
<TABLE
style="BORDER-RIGHT: #999 1px solid; BORDER-TOP: #999 1px solid; FONT-SIZE: 12px; BORDER-LEFT: #999 1px solid; WIDTH: 98.84%; BORDER-BOTTOM: #999 1px solid; HEIGHT: 286px"
align=center>
<TBODY>
<TR>
<TD>
<P><FONT color=#0000ff>第一种说法：</FONT></P>
<P>3. side
effect（译为边际效应或副作用）：是指读取某个地址时可能导致该地址内容发生变化，比如，有些设备的中断状态寄存器只要一读取，便自动清零。I/O寄存器的操作具有side
effect，因此，不能对其操作不能使用cpu缓存。</P>
<P>原文网址：<A
href="http://qinbh.blog.sohu.com/62733495.html">http://qinbh.blog.sohu.com/62733495.html</A></P>
<P><FONT color=#0000ff>第二种说法：</FONT></P>
<P>说一下我的理解：I/O端口与实际外部设备相关联，通过访问I/O端口控制外部设备，“边际效应”是指控制设备（读取或写入）生效，访问I/O口的主要目的就是边际效应，不像访问普通的内存，只是在一个位置存储或读取一个数值，没有别的含义了。我是基于ARM平台理解的，在《linux设备驱动程序》第二版中的说法是“副作用”，不是“边际效应”。</P>
<P>原文网址：<A
href="http://linux.chinaunix.net/bbs/viewthread.php?tid=890636&page=1#pid6312646">http://linux.chinaunix.net/bbs/viewthread.php?tid=890636&page=1#pid6312646</A></P></TD></TR></TBODY></TABLE></DIV>
<DIV> </DIV>
<DIV>结合以上两种说法和自己看《Linux设备驱动程序（第3版）》的理解，我个人认为可以这样解释：</DIV>
<DIV> </DIV>
<DIV>
<TABLE
style="BORDER-RIGHT: #999 1px solid; BORDER-TOP: #999 1px solid; FONT-SIZE: 12px; BORDER-LEFT: #999 1px solid; WIDTH: 87.88%; BORDER-BOTTOM: #999 1px solid; HEIGHT: 72px"
align=center>
<TBODY>
<TR>
<TD><STRONG><FONT color=#0000ff>side effect
是指：访问I/O寄存器时，不仅仅会像访问普通内存一样影响存储单元的值，更重要的是它可能改变CPU的I/O端口电平、输出时序或CPU对I/O端口电平的反应等等，从而实现CPU的控制功能。CPU在电路中的意义就是实现其side
effect
。</FONT></STRONG></TD></TR></TBODY></TABLE></DIV>
<DIV> </DIV>
<DIV>
<P>I/O 寄存器和 RAM 的主要不同就是 I/O 寄存器操作有side effect,
而内存操作没有。</P>
<P>因为存储单元的访问速度对 CPU 性能至关重要，编译器会对源代码进行优化，主要是:
使用高速缓存保存数值 和 重新编排读/写指令顺序。但对I/O
寄存器操作来说，这些优化可能造成致命错误。因此，<FONT
color=#0000ff>驱动程序必须确保在操作I/O
寄存器时，不使用高速缓存，且不能重新编排读/写指令顺序。</FONT></P>
<P><FONT color=#0000ff><FONT
size=3>解决方法：</FONT></P>
<P>硬件缓存问题:<FONT color=#000000>只要把底层硬件配置(自动地或者通过
Linux 初始化代码)成当访问 I/O 区域时(不管内存还是端口)禁止硬件缓存即可。
</FONT></P>
<P>硬件指令重新排序问题：<FONT
color=#000000>在硬件(或其他处理器)必须以一个特定顺序执行的操作之间设置内存屏障（memory
barrier）。</FONT></P>
<P><FONT color=#000000>Linux
提供以下宏来解决所有可能的排序问题:</FONT></FONT></P></DIV>
<TABLE style="BORDER-COLLAPSE: collapse"
borderColor=#999999 cellSpacing=0 cellPadding=0
width="95%" bgColor=#f1f1f1 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>
<P
style="MARGIN: 5px; LINE-HEIGHT: 150%"><CODE><SPAN
style="COLOR: #000000"><SPAN
style="COLOR: #0000cc">#</SPAN><SPAN
style="COLOR: #ff0000">include</SPAN> <SPAN
style="COLOR: #0000cc"><</SPAN>linux<SPAN
style="COLOR: #0000cc">/</SPAN>kernel<SPAN
style="COLOR: #0000cc">.</SPAN>h<SPAN
style="COLOR: #0000cc">></SPAN> <BR><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN> barrier<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN> <SPAN
style="COLOR: #ff9900">/*告知编译器插入一个内存屏障但是对硬件没有影响。编译后的代码会将当前CPU
寄存器中所有修改过的数值保存到内存中, 并当需要时重新读取它<FONT
color=#ff9900>们。可阻止在屏障前后的编译器优化，但硬件能完成自己的重新排序。其实<FONT
face=新宋体><FONT color=#000000><SPAN
style="COLOR: #0000cc"><</SPAN>linux<SPAN
style="COLOR: #0000cc">/</SPAN>kernel<SPAN
style="COLOR: #0000cc">.</SPAN>h<SPAN
style="COLOR: #0000cc">></SPAN></FONT>
中</FONT>并没有这个函数，因为它是在<FONT face=新宋体
color=#000000>kernel<SPAN
style="COLOR: #0000cc">.</SPAN>h</FONT>包含的头文件<FONT
face=新宋体 color=#000000>compiler<SPAN
style="COLOR: #0000cc">.</SPAN>h</FONT>中定义的</FONT>*/</SPAN><BR><SPAN
style="COLOR: #0000cc">#</SPAN><SPAN
style="COLOR: #ff0000">include</SPAN> <SPAN
style="COLOR: #0000cc"><</SPAN>linux<SPAN
style="COLOR: #0000cc">/</SPAN>compiler<SPAN
style="COLOR: #0000cc">.</SPAN>h<SPAN
style="COLOR: #0000cc">></SPAN><BR><SPAN
style="COLOR: #0000cc">#</SPAN> <SPAN
style="COLOR: #ff0000">define</SPAN>
barrier<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN>
__memory_barrier<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN><BR><BR><SPAN
style="COLOR: #0000cc">#</SPAN><SPAN
style="COLOR: #ff0000">include</SPAN> <SPAN
style="COLOR: #0000cc"><</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000ff">asm</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">/</SPAN><SPAN
style="COLOR: #ff0000">system</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">.</SPAN>h<SPAN
style="COLOR: #0000cc">></SPAN> <BR><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN> rmb<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">;</SPAN> <SPAN
style="COLOR: #ff9900">/*保证任何出现于屏障前的读在执行任何后续的读之前完成*/</SPAN><BR><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN> wmb<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">;</SPAN> <SPAN
style="COLOR: #ff9900">/*保证任何出现于屏障前的写在执行任何后续的写之前完成*/</SPAN><BR><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN> mb<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">;</SPAN> <SPAN
style="COLOR: #ff9900">/*保证任何出现于屏障前的读写操作在执行任何后续的读写操作之前完成*/</SPAN><BR><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN>
read_barrier_depends<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">;</SPAN> <SPAN
style="COLOR: #ff9900">/*一种特殊的、弱些的读屏障形式。rmb
阻止屏障前后的所有读指令的重新排序，read_barrier_depends
只阻止依赖于其他读指令返回的数据的读指令的重新排序。区别微小,
且不在所有体系中存在。除非你确切地理解它们的差别,
并确信完整的读屏障会增加系统开销，否则应当始终使用 rmb。*/</SPAN><BR><SPAN
style="COLOR: #ff9900">/*以上指令是barrier的超集*/</SPAN><BR><BR><BR><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN> smp_rmb<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">;</SPAN> <BR><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN>
smp_read_barrier_depends<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">;</SPAN> <BR><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN> smp_wmb<SPAN
style="COLOR: #0000cc">(</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000ff">void</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">)</SPAN><SPAN
style="COLOR: #0000cc">;</SPAN> <BR><SPAN
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