在C语言下使用I/O端

1. 正规的方法
用来存取 I/O 埠的常式 (Routine) 都放在档案 /usr/include/asm/io.h 里 (或放在核心原始码程式集的 linux/include/asm-i386/io.h 档案里). 这些常式是以单行巨集 (inline macros) 的方式写成的, 所以使用时只要以 #include 的方式引用就够了; 不需要附加任何函式馆 (libraries).

译注: 常式(Routine) 通常是指系统呼叫(System Call)与函式(Function)的总称.

因为 gcc (至少出现在 2.7.2.3 和以前的版本) 以及 egcs (所有的版本) 的限制, 你在编译任何使用到这些常式的原始码时必须打开最佳化选项 (gcc -O1 或较高层次的), 或者是在做 #include 这个动作前使用 #define extern 将 extern 定义成空白.

为了除错的目的, 你编译时可以使用 gcc -g -O (至少现在的 gcc 版本是这样), 但是最佳化之后有时可能会让除错器 (debugger) 的行为变的有点奇怪. 如果这个状况对你而言是个困扰, 你可以将所有使用到 I/O 埠的常式集中放在一个档案里并只在编译该档案时才打开最佳化选项.

在你存取任何 I/O 埠之前, 你必须让你的程式有如此做的权限. 要达成这个目的你可以在你的程式一开始的地方 (但是要在任何 I/O 埠存取动作之前) 呼叫 ioperm() 这个函式 (该函式被宣告于档案 unistd.h , 并且被定义在核心中). 使用语法是 ioperm(from, num, turn_on), 其中 from 是第一个允许存取的 I/O 埠位址, num 是接着连续存取 I/O 埠位址的数目. 例如, ioperm(0x300, 5, 1) 的意思就是说允许存取埠 0x300 到 0x304 (一共五个埠位址). 而最后一个参数是一个布林代数值用来指定是否给予程式存取 I/O 埠的权限 (true (1)) 或是除去存取的权限 (false (0)). 你可以多次呼叫函式 ioperm() 以便使用多个不连续的埠位址. 至于语法的细节请参考 ioperm(2) 的使用说明文件.

你的程式必须拥有 root 的权限才能呼叫函式 ioperm() ; 所以你如果不是以 root 的身份执行该程式, 就是得将该程式 setuid 成 root. 当你呼叫过函式 ioperm() 打开 I/O 埠的存取权限后你便可以拿掉 root 的权限. 在你的程式结束之后并不特别要求你以 ioperm(..., 0) 这个方式拿掉 I/O 埠的存取权限; 因为当你的程式执行完毕之后这个动作会自动完成.

呼叫函式 setuid() 将目前执行程式的有效使用者识别码 (ID) 设定成非 root 的使用者并不影响其先前以 ioperm() 的方式所取得的 I/O 埠存取权限, 但是呼叫函式 fork() 的方式却会有所影响 (虽然父行程 (parent process) 保有存取权限, 但是子行程 (child process) 却无法取得存取权限).

函式 ioperm() 只能让你取得埠位址 0x000 到 0x3ff 的存取权限; 至于较高位址的埠, 你得使用函式 iopl() (该函式让你一次可以存取所有的埠位址). 将权限等级参数值设为 3 (例如, iopl(3)) 以便你的程式能够存取所有的 I/O 埠 (因此要小心 --- 如果存取到错误的埠位址将对你的电脑造成各种不可预期的损害. 同样地, 呼叫函式 iopl() 你得拥有 root 的权限.至于语法的细节请参考 iopl(2) 的使用说明文件.

接着, 我们来实际地存取 I/O 埠... 要从某个埠位址输入一个 byte (8 个 bits) 的资料, 你得呼叫函式 inb(port) , 该函式会传回所取得的一个 byte 的资料. 要输出一个 byte 的资料, 你得呼叫函式 outb(value, port) (请记住参数的次序). 要从某二个埠位址 x 和 x+1 (二个 byte 组成一个 word, 故使用组合语言指令 inw) 输入一个 word (16 个 bits) 的资料, 你得呼叫函式 inw(x) ; 要输出一个 word 的资料到二个埠位址, 你得呼叫函式 outw(value, x) . 如果你不确定使用那个埠指令 (byte 或 word), 你大概须要 inb() 与 outb() 这二个埠指令 --- 因为大多数的装置都是采用 byte 大小的埠存取方式来设计的. 注意所有的埠存取指令都至少需要大约一微秒的时间来执行.

如果你使用的是 inb_p(), outb_p(), inw_p(), 以及 outw_p() 等巨集指令, 在你对埠位作址存取动作之后只需很短的(大约一微秒)延迟时间就可以完成; 你也可以让延迟时间变成大约四微秒方法是在使用 #include 之前使用 #define REALLY_SLOW_IO. 这些巨集指令通常 (除非你使用的是 #define SLOW_IO_BY_JUMPING, 这个方法可能较不准确) 会利用输出资料到埠位址 0x80 以便达到延迟时间的目的, 所以你得先以函式 ioperm() 取得埠位址 0x80 的使用权限 (输出资料到埠位址 0x80 不应该会对系统的其他其他部分造成影响). 至于其他通用的延迟时间的方法, 请继续读下去.

ioperm(2), iopl(2) 等函式, 和上面所述及的巨集指令的使用说明会收录在最近出版的 Linux 使用说明文件集中.

2. 另一个替代的方法: /dev/port
另一个存取 I/O 埠的方法是以函式 open() 开启档案 /dev/port (一个字元装置,主要装置编号为 1, 次要装置编号为 4) 以便执行读且/或写的动作 (注意标准输出入 (stdio) 函式 f*() 有内部的缓冲 (buffering), 所以要避免使用). 接着使用 lseek() 函式以便在该字元装置档案中找到某个 byte 资料的正确位置 (档案位置 0 = 埠位址 0x00, 档案位置 1 = 埠位址 0x01, 以此类推), 然后你可以使用 read() 或 write() 函式对某个埠位址做读或写一个 byte 或 word 资料的动作.

这个替代的方法就是在你的程式里使用 read/write 函式来存取 /dev/port 字元装置档案. 这个方法的执行速度或许比前面所讲的一般方法还慢, 但是不需要编译器的最佳化功能也不需要使用函式 ioperm() . 如果你允许非 root 使用者或群组存取 /dev/port 字元设装置案, 操作时就不需拥有 root 权限 -- 但是对于系统安全而言是个非常糟糕的事情, 因为他可能伤害到你的系统, 或许会有人因而取的 root 的权限, 利用 /dev/port 字元装置档案直接存取硬碟, 网路卡, 等设备.

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