使用计算机离不开IO设备（键盘、鼠标、串口、打印机等），IO设备一般都有几个寄存器，通常我们都是对寄存器进行读写来控制IO设备的行为的。

不论什么设备，其读写寄存器的过程在硬件层面都是相同的：向地址总线发送电平信号（寻址），向控制总线发送电平信号（例如读写控制等），通过数据总线读写所需的数据。

上面的寻址过程首先要知道IO设备的地址，这个地址成为IO端口地址，简称为端口。

不同的CPU对于外设的编址方式不同，可以分为：统一编址和独立编址。

• 统一编址将外设地址归入到内存地址空间范围内，这种方式的编址CPU访问外设和访问内存的方式是一样的；
• 独立编址把IO设备的地址空间作为一个独立的地址空间，成为IO地址空间，每个端口对应一个IO地址，使用专门的指令来访问端口；

使用ISA总线结构的传统PC机IO地址空间范围是0x000-0x3FF，有1024个IO端口地址可供使用。 各控制器和控制卡所默认分配使用的端口地址范围见下表:

边际效应

从上面看来，访问寄存器和访问内存的过程是一样的，但是，寄存器的访问可能存在边际效应(side effect, 副作用)。

对于边际效应，我这边个人理解是这样的：对于内存而言，我们对其的操作是存值取值，例如”a=0;b=0;“这两个语句的执行顺序调换对于我期待的结果并没有什么影响，所以编译器可能会对其进行优化，重排序等；而对于寄存器而言，读写操作需要严格按照要求来操作，比如某个寄存器被读一次后就会被清空，如果读写顺便被重排序，就会导致不可预料的问题了，而且也很难排查。

为了排除边际效应的影响：驱动程序必须确保不使用高速缓存（高速缓存会将读写操作在CPU寄存器中完成，使得CPU在不访问RAM，而我们的目的却是读写RAM），并且在访问寄存器时不会发生读写命令的重排序。

对于不使用高速缓存的解决方法是：把底层硬件配置成在访问IO区域时禁止硬件缓存。

对于读写重排序问题，对于必须保证执行顺序的操作之间设置内存屏障(memory barrier)。

#include <linux/kernel.h>
void barrier(void)

#include <asm/system.h>
void rmb(void);  // 读内存屏障，保证屏障之前的读操作一定会在后来的读操作执行之前完成
void read_barrier_depends(void);  // 与rmb类似，最好使用rmb
void wmb(void);  // 写内存屏障，保证写操作的顺序
void mb(void); // 保证读写都不会乱序

内存屏障是会影响系统性能的，所以只能用在真正需要使用的地方。

IO端口相关操作

#include <linux/ioport.h>
struct resource *request_region(unsigned long first, unsigned long n, const char *name);

该函数告诉内核我们将要使用起始于first的n个端口。name是设备的名称。分配成功返回非NULL值，否则返回NULL。如果返回NULL，则不能使用申请的端口。

void release_region(unsigned long first, unsigned long n);

如果不再使用IO端口，使用上面的函数释放。

int check_region(unsigned long first, unsigned long n);

检查所需的端口是否可用，但由于该函数并不是原子操作的，因此即使其检查结果正常也不能保证分配一定成功。

当请求了需要的IO端口范围后，读写这些端口的函数如下：

unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsgined char byte, unsigned port);
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsgined char byte, unsigned port);
unsigned inl(unsigned port);
void outl(unsgined char byte, unsigned port);

通常会将8/16/32位的端口进行区分，对应上面的b(byte)、w(word)、l(longwork)。

这里没有定义64位的IO操作，因为即使是在64位的体系架构上，端口地址空间也最大只使用32位的数据通路。

上面的函数只是对一个数据进行读写，内核也提供了串操作指令，相关的函数如下：

void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);

使用串操作指令时，需要注意字节序的问题，否则会造成不可预测的结果，上面的串操作函数不会完成字节序的交换和匹配，需要自己完成。

IO内存操作

上面介绍的IO端口是和设备通信的一种机制，另一种机制是将设备的寄存器或内存映射到内存中，使其的访问类似RAM。虽然类似RAM，但是其仍然存在边际效应。

映射到内存的设备寄存器或内存可能是通过/不通过页表来访问的：如果通过页表来访问，就要先让物理地址对驱动程序可见（调用ioremap映射）；如果不是通过页表访问，则类似于IO端口，通过一些函数来读写。

相关的操作函数如下：

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

上面的函数从start开始分配len字节长度的区域，分配成功返回非NULL指针，否则返回NULL指针。

void release_mem_region(unsgined long start, unsigned long len);

不再使用已分配的内存区域时，使用上面的函数进行释放。

检查IO内存区域是否可用的函数如下：

int check_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);

分配IO内存之后，还需要建立虚拟地址与IO内存的映射关系，使用 ioremap 实现，相关函数如下：

#include <asm/io.h>

void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);
void *ioremap_nocache(unsigned log phys_addr, unsigned long size);
void iounmap(void *addr);

调用 ioremap 之后，驱动程序即可访问对应的IO内存地址了，某些平台可以直接讲ioremap的返回值当指针直接使用，但不具有可移植性，所以需要使用内核提供的函数来访问：

#include <asm/io.h>
unsigned int ioread8(void *addr);
unsigned int ioread16(void *addr);
unsigned int ioread32(void *addr);
void iowrite8(u8 value, void *addr);
void iowrite16(u16 value, void *addr);
void iowrite32(u32 value, void *addr);

addr 是ioremap的返回值。看名字就应该知道含义和使用方法了，这里不再说明。

如果要读写一系列的值，则可以使用以下函数：

void ioread8_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
void ioread16_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
void ioread32_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
void iowrite8_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
void iowrite16_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);
void iowrite32_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);

还有类似C语言中内存操作相关的函数：

void memset_io(void *addr, u8 value, unsigned int count);
void memcpy_fromio(void *dest, void * source, unsigned int count);
void memcpy_toio(void *dest, void *source, unsigned int count);