操纵系统怎样与设备进行交互

前言

简单介绍一下操纵系统怎样与设备进行交互的。
正文

操纵系统与硬件通信的根本方式:
端口i/o:
这一个呢，是把设备标志为一个一个设备标为数字，然后向设备发送信号，
通过in和out指令访问设备寄存器。

1. 从端口0x60读取键盘输入
2. in al, 0x60

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这种比较简单，大体就是发送信号吧。
这里阐明一下，cpu与设备之间的沟通呢，很多时候我们总是想着是比如输出什么样的下令啥的。
有各种各样的复杂下令啥的，其实本质而言，到了最后都是对寄存器的操纵，所以在硬件层面呢，就不用去想什么下令，
本质而言是对寄存器的io操纵。
这种好像ok的，简单方便，可以对设备的寄存器进行读写，实现了根本功能。
但是随着要和设备的性能直接沟通的越来越频繁，这里就需要高性能了。
就出现了内存映射了。

那么下面来看一下内存映射这块:

• 硬件层面的实现机制
  

(1) 地址空间划分
统一编址：CPU的物理地址空间被划分为 普通内存区域 和 设备寄存器区域。
例如：假设CPU有32位地址空间（4GB），硬件筹划时可能约定：
0x00000000-0xDFFFFFFF：DRAM（内存）
0xFE000000-0xFEFFFFFF：设备A的寄存器
0xFF000000-0xFFFFFFFF：设备B的寄存器
(2) 硬件地址解码
地址解码器（Address Decoder）：
每个设备（如网卡、GPU）内置一个地址范围匹配电路。当CPU访问某个地址时：
CPU发出物理地址（如0xFE200000）。
内存控制器首先检查该地址是否属于DRAM：
如果是 → 访问内存芯片。
如果否 → 将地址转发到系统总线（如PCIe、AXI）。
设备监听总线：
设备比较总线地址与自身寄存器映射范围。
若匹配（如0xFE200000在设备A的范围内）→ 设备响应操纵，否则忽略。
(3) 寄存器访问的硬件行为
写入操纵：
((volatile uint32_t)0xFE200000) = 0x1234; // CPU执行内存写入指令

• CPU将0xFE200000解释为普通内存地址，发出写请求（数据0x1234）。
  
• 设备A的地址解码器辨认该地址属于自己，将数据0x1234写入内部寄存器（如控制寄存器）。
  
• 硬件关键点：设备寄存器本质上是一个与地址绑定的触发器（Flip-Flop），写入时会触发设备行为（如启动DMA、修改工作模式）。
  

设备将当前寄存器值（如状态寄存器）返回给CPU，而非从内存读取数据。
uint32_t value = ((volatile uint32_t)0xFE200004); // CPU读取设备寄存器
操纵系统与硬件的协作
(1) 设备发现与资源分配
PCIe设备示例：
系统启动时，BIOS/UEFI或操纵系统通过PCI配置空间枚举设备，获取设备的MMIO需求（如需要256MB地址空间）。
操纵系统分配一段未被占用的物理地址范围（如0xFE000000-0xFE0FFFFF）给该设备，并写入设备的BAR（Base Address Register）。
设备收到BAR值后，将其作为自身寄存器的基地址。
(2) 内存映射到内核空间
Linux内核示例：

1. void *regs = ioremap(0xFE000000, 0x100000); // 将物理地址映射到内核虚拟地址

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ioremap会将物理地址0xFE000000映射到内核的虚拟地址空间（如0xffff0000），后续驱动通过虚拟地址访问设备寄存器。
这样的话，那么我们的驱动就可以操纵设备了。
(3) 设备驱动的工作
写入寄存器：

1. writel(0x1234, regs + 0x10); // 向寄存器偏移0x10处写入0x1234

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writel会编译为内存写入指令（如mov [eax], ebx），但现实地址指向设备寄存器而非内存。
驱动器这样写入即可。
这样就能驱动硬件了。
那么我们会问，一个硬件应该会有很多的寄存器才对，那么是怎样映射到不同的驱动器的呢，或者说怎样进行下令转换的呢？

• 设备寄存器的地址布局
  

设备的所有寄存器会被映射到一段一连的物理地址空间，每个寄存器占据一个或多个地址（通常为4字节对齐）。
示例：假设某设备有3个寄存器，映射到基地址0xFE200000：
寄存器功能        偏移量（Offset）        完整物理地址        访问方式
控制寄存器        0x00        0xFE200000        写入下令字
状态寄存器        0x04        0xFE200004        读取状态
数据缓冲区        0x08        0xFE200008        读写数据
CPU访问逻辑：
写入0xFE200000 → 操纵控制寄存器。
读取0xFE200004 → 获取状态寄存器值。
写入0xFE200008 → 向数据缓冲区写入数据。

• 硬件怎样辨认寄存器？
  设备内部通过地址解码逻辑区分不同寄存器，具体实现如下：
  

(1) 设备地址解码器
设备内部有一个地址匹配电路，根据CPU访问的地址偏移量选择对应的寄存器。
示例（简化逻辑）：

1. // Verilog示例：设备内部的地址解码逻辑
2. always @(posedge clk) begin
3.   if (cpu_addr == base_addr + 0x00)
4.     control_reg <= cpu_data;  // 写入控制寄存器
5.   else if (cpu_addr == base_addr + 0x04)
6.     status_reg_read <= 1;     // 读取状态寄存器
7.   else if (cpu_addr == base_addr + 0x08)
8.     data_buffer <= cpu_data;  // 写入数据缓冲区
9. end

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}

• 物理地址分配的核心逻辑
  

资源分配通过 __pci_assign_resource() 实现：
// drivers/pci/setup-res.c
static int __pci_assign_resource(struct pci_bus *bus, struct pci_dev *dev,
int resno, resource_size_t size,
resource_size_t align, resource_size_t min)
{
struct resource *res = dev->resource + resno;

1. // 假设网卡的寄存器偏移量定义
2. #define NET_CTRL_REG   0x0000  // 控制寄存器
3. #define NET_STATUS_REG 0x0008  // 状态寄存器
5. void *base_addr = ioremap(0xFE000000, 0x40000); // 映射256KB
6. writel(0x1, base_addr + NET_CTRL_REG);          // 写入控制寄存器
7. uint32_t status = readl(base_addr + NET_STATUS_REG); // 读取状态寄存器

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}
资源分配器（pci_bus_alloc_resource）
终极调用内核的通用资源管理接口：

1.     // 判断是MMIO还是I/O空间
2.     if (l & PCI_BASE_ADDRESS_SPACE_IO) {
3.         /* I/O空间 */
4.     } else {
5.         /* MMIO空间 */
6.         mask = PCI_BASE_ADDRESS_MEM_MASK;
7.         res->flags |= IORESOURCE_MEM;
8.     }
9.     /* 保存BAR信息到pci_dev->resource[] */
10. }

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这里分配物理地址是告诉cpu，这段范围作为设备内存映射，而不是去访问内存地址。
也就是说cpu知道了是内存映射后，不是去访问我们的内存条，而是丢给系统总线。
这样这块物理内存就被标记了。
标记了之后，我们的内核程序又无法直接访问物理地址。
那么需要我们再次申请一下映射，这样执行内核代码的时候就会访问到这块物理地址了。

• 物理地址到虚拟地址的映射（ioremap）
  

分配物理地址后，驱动需要通过 ioremap 将其映射到内核虚拟地址空间：

1. /* 获取BAR请求的大小和对齐 */
2. size = resource_size(res);
3. min = (res->flags & IORESOURCE_IO) ? PCIBIOS_MIN_IO : PCIBIOS_MIN_MEM;
4. align = pci_resource_alignment(dev, res);
6. /* 调用资源分配器分配物理地址 */
7. ret = _pci_assign_resource(dev, resno, size, align, min);
8. if (ret == 0) {
9.     /* 将分配的物理地址写入BAR */
10.     pci_update_resource(dev, resno);
11. }
12. return ret;

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也就是分为两部分，一部分是申请阶段，做了标记，另外一部分做的是映射，没有映射永远访问不到这块物理地址。
结

下一节，写到哪，到哪吧。

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