物理地址和虚拟地址的区别-阿里云开发者社区

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物理地址和虚拟地址的区别

简介:


(一)地址的概念


1)物理地址:CPU地址总线传来的地址,由硬件电路控制其具体含义。物理地址中
很大一部分是留给内存条中的内存的,但也常被映射到其他存储器上 (如显存、
BIOS等)。在程序指令中的虚拟地址经过段映射和页面映射后,就生成了物理地址,
这个物理地址被放到CPU的地址线上。
物理地址空间,一部分给物理RAM(内存)用,一部分给总线用,这是由硬件设计来决定的,
因此在32 bits地址线的x86处理器中,物理地址空间是2的32次方,即4GB,但物理RAM一般
不能上到4GB,因为还有一部分要给总线用(总线上还挂着别的 许多设备)。在PC机中,
一般是把低端物理地址给RAM用,高端物理地址给总线用。


2)总线地址:总线的地址线或在地址周期上产生的信号。外设使用的是总线地址,
CPU使用的是物理地址。
物理地址与总线地址之间的关系由系统的设计决定的。在x86平台上,物理地址就是总线地址,
这是因为它们共享相同的地址空间——这句话有点难理解,详见下 面的“独立编址”。在其他平台上,
可能需要转换/映射。比如:CPU需要访问物理地址是0xfa000的单元,那么在x86平台上,
会产生一个PCI总线 上对0xfa000地址的访问。因为物理地址和总线地址相同,所以凭眼睛
看是不能确定这个地址是用在哪儿的,它或者在内存中,或者是某个卡上的存储单元, 
甚至可能这个地址上没有对应的存储器。


3)虚拟地址:现代操作系统普遍采用虚拟内存管理(Virtual Memory Management)机制,
这需要MMU(Memory Management Unit)的支持。MMU通常是CPU的一部分,如果处理器没有MMU,
或者有MMU但没有启用,CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上,被 内存芯片
(物理内存)接收,这称为物理地址(Physical Address),如果处理器启用了MMU,
CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获,从CPU到MMU的地址称为虚拟地址(Virtual Address),
而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上,也就是将虚拟地址映射
成物理地址。
Linux中,进程的4GB(虚拟)内存分为用户空间、内核空间。用户空间分布为0~3GB(
即PAGE_OFFSET,在0X86中它等于 0xC0000000)
,剩下的1G为内核空间。程序员只能使用虚拟地址。系统中每个进程有各自的私有用
户空间(0~3G),这个空间对系统中的其他进程是不可见的。
CPU发出取指令请求时的地址是当前上下文的虚拟地址,MMU再从页表中找到这个虚拟地址
的物理地址,完成取指。同样读取数据的也是虚拟地址,比如mov ax, var. 编译时var就
是一个虚拟地址,也是通过MMU从也表中来找到物理地址,再产生总线时序,完成取数据的。




(二)编址方式
1)外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的,外设寄存器也称为“I/O端口”,而IO端口有
两种编址方式:独立编址和统一编制。


统一编址:外设接口中的IO寄存器(即IO端口)与主存单元一样看待,每个端口占用一个
存储单元的地址,将主存的一部分划出来用作IO地址空间,如,在 PDP-11中,把最高的
4K主存作为IO设备寄存器地址。端口占用了存储器的地址空间,使存储量容量减小。
统一编址也称为“I/O内存”方式,外设寄存器位于“内存空间”(很多外设有自己的内存、
缓冲区,外设的寄存器和内存统称“I/O空间”)。
如,Samsung的S3C2440,是32位ARM处理器,它的4GB地址空间被外设、RAM等瓜分:
0x8000 1000    LED 8*8点阵的地址
0x4800 0000 ~ 0x6000 0000  SFR(特殊暂存器)地址空间
0x3800 1002   键盘地址
0x3000 0000 ~ 0x3400 0000  SDRAM空间 
0x2000 0020 ~ 0x2000 002e  IDE
0x1900 0300   CS8900


独立编址(单独编址):IO地址与存储地址分开独立编址,I/0端口地址不占用存储空间的
地址范围,这样,在系统中就存在了另一种与存储地址无关的IO地 址,CPU也必须具有专
用与输入输出操作的IO指令(IN、OUT等)和控制逻辑。独立编址下,地址总线上过来一
个地址,设备不知道是给IO端口的、还是 给存储器的,于是处理器通过MEMR/MEMW和IOR
/IOW两组控制信号来实现对I/O端口和存储器的不同寻址。如,intel 80x86就采用单独编址,
CPU内存和I/O是一起编址的,就是说内存一部分的地址和I/O地址是重叠的。
独立编址也称为“I/O端口”方式,外设寄存器位于“I/O(地址)空间”。
对于x86架构来说,通过IN/OUT指令访问。PC架构一共有65536个8bit的I/O端口,组成64K
个I/O地址空间,编号从 0~0xFFFF,有16位,80x86用低16位地址线A0-A15来寻址。连续两
个8bit的端口可以组成一个16bit的端口,连续4个组成一个 32bit的端口。I/O地址空间和
CPU的物理地址空间是两个不同的概念,例如I/O地址空间为64K,一个32bit的CPU物理地址
空间是4G。 如,在Intel 8086+Redhat9.0 下用“more /proc/ioports”可看到:
0000-001f : dma1
0020-003f : pic1
0040-005f : timer
0060-006f : keyboard
0070-007f : rtc
0080-008f : dma page reg
00a0-00bf : pic2
00c0-00df : dma2
00f0-00ff : fpu
0170-0177 : ide1
……


不过Intel x86平台普通使用了名为内存映射(MMIO)的技术,该技术是PCI规范的一部分,
IO设备端口被映射到内存空间,映射后,CPU访问IO端口就如同访 问内存一样。看Intel 
TA 719文档给出的x86/x64系统典型内存地址分配表:
系统资源  占用
------------------------------------------------------------------------
BIOS  1M
本地APIC  4K
芯片组保留 2M
IO APIC  4K
PCI设备  256M
PCI Express设备 256M
PCI设备(可选) 256M
显示帧缓存 16M
TSEG  1M




对于某一既定的系统,它要么是独立编址、要么是统一编址,具体采用哪一种则取决于
CPU的体系结构。 如,PowerPC、m68k等采用统一编址,而X86等则采用独立编址,存
在IO空间的概念。目前,大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并 不提供I/O空间,
仅有内存空间,可直接用地址、指针访问。但对于Linux内核而言,它可能用于不同的CPU,
所以它必须都要考虑这两种方式,于是它采 用一种新的方法,将基于I/O映射方式的或内
存映射方式的I/O端口通称为“I/O区域”(I/O region),不论你采用哪种方式,都要先
申请IO区域:request_resource(),结束时释放 它:release_resource()。




2)对外设的访问


1、访问I/O内存的流程是:request_mem_region() -> ioremap() -> ioread8()/iowrite8()
 -> iounmap() -> release_mem_region() 。
前面说过,IO内存是统一编址下的概念,对于统一编址,IO地址空间是物理主存的一部分,
对于编程而言,我们只能操作虚拟内存,所以,访问的第一步就是要把设备所处的物理地址
映射到虚拟地址,Linux2.6下用ioremap():
void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);
然后,我们可以直接通过指针来访问这些地址,但是也可以用Linux内核的一组函数来读写:
ioread8(), iowrite16(), ioread8_rep(), iowrite8_rep()......


2、访问I/O端口
访问IO端口有2种途径:I/O映射方式(I/O-mapped)、内存映射方式(Memory-mapped)。
前一种途径不映射到内存空间,直接使用 intb()/outb()之类的函数来读写IO端口;后一种
MMIO是先把IO端口映射到IO内存(“内存空间”),再使用访问IO内存的函数来访问 IO端口。
void ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);
通过这个函数,可以把port开始的count个连续的IO端口映射为一段“内存空间”,
然后就可以在其返回的地址是像访问IO内存一样访问这些IO端口。






Linux下的IO端口和IO内存


CPU对外设端口物理地址的编址方式有两种:一种是IO映射方式,另一种是内存映射方式。 
 Linux将基于IO映射方式的和内存映射方式的IO端口统称为IO区域(IO region)。
  IO region仍然是一种IO资源,因此它仍然可以用resource结构类型来描述。


  Linux管理IO region:


  1) request_region()


  把一个给定区间的IO端口分配给一个IO设备。


  2) check_region()


  检查一个给定区间的IO端口是否空闲,或者其中一些是否已经分配给某个IO设备。


  3) release_region()


  释放以前分配给一个IO设备的给定区间的IO端口。


  Linux中可以通过以下辅助函数来访问IO端口:


  inb(),inw(),inl(),outb(),outw(),outl()


  “b”“w”“l”分别代表8位,16位,32位。


 对IO内存资源的访问


  1) request_mem_region()


  请求分配指定的IO内存资源。


  2) check_mem_region()


  检查指定的IO内存资源是否已被占用。


  3) release_mem_region()


  释放指定的IO内存资源。


  其中传给函数的start address参数是内存区的物理地址(以上函数参数表已省略)。


  驱动开发人员可以将内存映射方式的IO端口和外设内存统一看作是IO内存资源。


  ioremap()用来将IO资源的物理地址映射到内核虚地址空间(3GB - 4GB)中,
参数addr是指向内核虚地址的指针。


  Linux中可以通过以下辅助函数来访问IO内存资源:


  readb(),readw(),readl(),writeb(),writew(),writel()。


  Linux在kernel/resource.c文件中定义了全局变量ioport_resource和iomem_resource,
来分别描述基于IO映射方式的整个IO端口空间和基于内存映射方式的IO内存资源空间(
包括IO端口和外设内存)。


1)关于IO与内存空间:
在X86处理器中存在着I/O空间的概念,I/O空间是相对于内存空间而言的,它通过特定的指令in、
out来访问。端口号标识了外设的寄存器地址。Intel语法的in、out指令格式为:
IN 累加器, {端口号│DX}
OUT {端口号│DX},累加器
目前,大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等中并不提供I/O空间,而仅存在内存空间。
内存空间可以直接通过地址、指针来访问,程序和程序运行中使用的变量和其他数据都存
在于内存空间中。 
即便是在X86处理器中,虽然提供了I/O空间,如果由我们自己设计电路板,外设仍然可以
只挂接在内存空间。此时,CPU可以像访问一个内存单元那样访问外设I/O端口,而不需要设
立专门的I/O指令。因此,内存空间是必须的,而I/O空间是可选的。


(2)inb和outb:


在Linux设备驱动中,宜使用Linux内核提供的函数来访问定位于I/O空间的端口,这些函数包括:
· 读写字节端口(8位宽)
unsigned inb(unsigned port); 
void outb(unsigned char byte, unsigned port); 
· 读写字端口(16位宽)
unsigned inw(unsigned port); 
void outw(unsigned short word, unsigned port); 
· 读写长字端口(32位宽)
unsigned inl(unsigned port); 
void outl(unsigned longword, unsigned port); 
· 读写一串字节
void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);
· insb()从端口port开始读count个字节端口,并将读取结果写入addr指向的内存;
outsb()将addr指向的内存的count个字节连续地写入port开始的端口。
· 读写一串字
void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
· 读写一串长字
void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
上述各函数中I/O端口号port的类型高度依赖于具体的硬件平台,因此,
只是写出了unsigned。

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