使用端口映射I/O时是否会使用虚拟内存？

Question

使用端口映射I/O时是否会使用虚拟内存？

clinuxx86device-drivervirtual-memory

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如果我有一个内存映射的I/O设备，我想要写入位于地址0x16D34的该设备寄存器，那么0x16D34地址实际上是虚拟地址。CPU会首先将其转换为物理地址，然后再将数据写入物理地址。

但是对于端口映射的I/O设备（例如：串口），如果我想要写入位于地址0x3F8的该设备寄存器，那么0x3F8地址是物理地址还是虚拟地址呢？

编辑：我使用的是x86架构。

- Steve

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那看起来像是x86而不是基于存储映射的外围设备。这个具体问题不会帮助你理解。你需要全局的认识。一本好的关于PC架构的书将会是很好的阅读材料。那么你在问什么？虚拟内存/存储映射还是设备驱动程序？它们是两种非常不同的方法！ - too honest for this site

IO端口不是内存地址，因此您无法询问它们是物理的还是虚拟的。 - harold

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@harold "IO端口不是内存地址，因此您无法询问它们是物理地址还是虚拟地址。" 但实际上我可以假设IO端口是物理地址，比如如果我将数据写入地址0x3F8，那么数据就会被写入地址0x3F8，而不是某个经过翻译的地址，对吗？ - Steve

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@Cody Gray那么如果0x3F8不是一个地址，它是什么数字？我已经在任何地方都读到了它是串行/COM端口的基础地址。 - Steve

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我一直称它们为“地址”。即使是带有基址寄存器（BARs）的PCI规范也将其称为地址。它们是IO端口地址，但仍然是地址。无论如何，自从1）它不是GP地址空间2）除非设置允许端口的位图，否则它始终是特权的，因此IO地址空间从未被虚拟化。此外，英特尔手册指出，向对齐端口X写入一个字将在单个总线周期中写入端口X和端口X + 1，就像内存写入一样。值得注意的是，设备可以以不同的方式处理对X的字写入。在VGA编程中，写入字是常见的。 - Margaret Bloom

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2个回答

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看起来你的问题是关于内存映射I/O和端口映射I/O之间的区别。处理器连接外部设备通常有两种方法，即内存映射或端口映射I/O。

内存映射I/O

内存映射I/O使用相同的地址空间来寻址内存和I/O设备。因此，当CPU访问地址时，它可能会引用物理RAM的一部分，但也可以引用I/O设备的内存（基于Wiki上的内存映射I/O）。

在你的第一个示例中，值0x16D34将是虚拟内存，并将映射到物理内存。I/O设备也将引用相同的物理内存，以允许CPU访问。

端口映射I/O

端口映射I/O使用单独的、专用的地址空间，并通过一组专用的微处理器指令进行访问。对于您第二个示例中的0x3F8，它是特定于内存和I/O设备的自身地址的地址，而不是我们之前在内存映射I/O中提到的内存和I/O设备共享的地址。您可以在内存映射I/O与端口映射I/O中获得更详细的信息。

- CWLiu

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可以查看英文原文，
原文链接

- pmdj · Accepted Answer

在x86/x86-64上进行的端口映射I/O（大多数其他现代架构甚至不支持）发生在完全独立的地址空间中。该地址空间不受内存映射的限制，因此没有虚拟端口地址，只有物理地址。必须使用特殊的in和out指令来执行端口I/O，简单的内存访问（例如使用mov）无法访问此独立的地址空间。基于特权级别的访问保护是可能的；大多数现代操作系统默认情况下都会防止用户空间进程访问I/O端口。

有关详细信息，您可以查看英特尔的“Intel® 64和IA-32体系结构开发人员手册：第1卷”（截至本文撰写时的第18章）中的“输入/输出”章节。

请注意，在x86的早期，每个设备（包括ISA插卡）中都硬连了端口地址。如果你很幸运，这张卡上会有一组跳线可以选择有限的一组可能的端口范围，以避免设备之间范围冲突。后来，Plug & Play被引入，使得选择在系统启动期间动态进行。PCI进一步完善了这一点，因此I / O BARs几乎可以由操作系统和/或固件在0x0000-0xffff地址空间内映射到任何位置。由于其许多固有限制，现在在设计新硬件时已经强烈不建议使用基于端口映射的I / O。