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为了确保计算机能够工作，必须提供数据通信线路，让信息在连接CPU，RAM和I/O设备之间流动。这些数据通路总称为总线。在x86上一种典型的系统总线是PCI(Peripheral Component Interconnect)总线。其他类型的总线有ISA，MCA，SCSI和USB等。 一台计算机通常包含几种不同类型的总线，它们通常被称作"桥"的硬件设备连接在一起。两条高速总线用于在内存芯片上来回传送数据：前端总线将CPU连接到RAM控制器上，而后端总线将CPU直接连接到外部硬件的高速缓存上。主机上的桥将系统总线和前端总线连接在一起。 任何I/O设备有且仅能连接一条总线。CPU和I/O设备之间的数据通路通常称为I/O总线。每个连接到I/O总线上的设备都有自己的I/O地址集，通常称为I/O端口(I/O Port)。于此对应，连接地址的数据通路被称为地址总线，另外还有线路较少的控制总线。 随着超大规模集成电路的迅速发展，器件特征尺寸越来越小，芯片规模越来越大，可以在单芯片上集成上百万到数亿只晶体管。如此密集的集成度使现在能够在一小块芯片上把以前由CPU和若干I/O接口等数块芯片实现的功能集成起来，由单片集成电路构成功能强大的、完整的系统，这就是通常所说的片上系统SoC(System on Chip)。由于功能完整，SoC逐渐成为嵌入式系统发展的主流。 SoC的设计过程中，最具特色的是IP复用技术。即选择所需功能的IP核，集成到一个芯片中。由于IP核的设计千差万别，IP核的连接就成为构造SoC的关键。片上总线0CB(On-Chip Bus)是实现SoC中IP核连接最常见的技术手段，它以总线方式实现IP核之间数据通信。 业界有很多片上总线标准，其中由ARM公司推出的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)片上总线受到了广大IP开发商和SoC系统集成者的青睐，已成为一种流行的工业标准片上结构。AMBA规范主要包括了AHB(Advanced High performance Bus)系统总线(ASB系统总线与AHB类似，性能不如AHB)和APB(Advanced Peripheral Bus)外围总线。 表 33. AMBA发展史
AMBA 3.0 AXI总线与2003年发布，兼容符合AMBA 2.0标准总线的设备。
AHB(Advanced High-performance Bus)主要用于高性能模块(如CPU、DMA和DSP等)之间的连接，作为SoC的片上系统总线，它包括以下一些特性：
当主设备想要读取或者写出数据时，一个精简过的过程描述如下所示：
APB(Advanced Peripheral Bus)主要用于低带宽的周边外设之间的连接，例如UART、1284等，它的总线架构不像AHB支持多个主模块，在APB里面唯一的主模块就是APB 桥。其特性包括：两个时钟周期传输；无需等待周期和回应信号；控制逻辑简单，只有四个控制信号。 APB 表现为一个局部二级总线，封装为AHB 或者ASB 的一个外设：APB桥。APB 在AHB 和ASB信号的基础上直接为系统总线提供了低功耗的延伸。 APB 规定所有信号的传输只和时钟的上升沿相关。具有以下特点：
随着超大规模Soc的兴起，嵌入式系统的性能需求越来越高，导致对片上总线的带宽要求也越来越苛刻。虽然AHB总线协议在理论上可以让用户不断地增加总线位宽以达到更高带宽，但在节省功耗的前提下，用户希望通过极窄的总线宽度、极低的总线频率来实现很高的数据吞吐量，也就是对协议传输效率的要求达到极致。AMBA 3.0 AXI(Advanced eXtensible Interface)协议正是在这种背景下应运而生。 AXI 协议的主要特点包括:
表 34. AHB和AXI比较
当前多数IP广泛采用的片上总线是AMBA2.0 协议。如何利用IP复用技术，使用这些现存IP构建基于AXI协议的Soc系统呢?AMBA3 .0A XI 协议其中的一个优点是向后兼容AMBA2.0，支持现有使用AMBA2.0 协议的子系统。这一特点让IP复用成为可能。 S3C6410 是一个16/32 位RISC 微处理器，采用了64/32 位内部总线架构。该64/32 位内部总线结构由AXI、AHB 和APB 总线组成。它还包括许多强大的硬件加速器，像视频处理，音频处理，二维图形，显示操作和缩放。一个集成的多格式编解码器（ MFC ）支持MPEG4/H.263/H.264 编码、译码以及VC1 的解码。这个H/W 编码器/解码器支持实时视频会议和NTSC、PAL 模式的TV 输出。 S3C6410 有一个优化的接口连线到外部存储器。存储器系统具有双重外部存储器端口、 DRAM 和FLASH/ROM/ DRAM 端口。 DRAM 的端口可以配置为支持移动DDR，DDR，移动SDRAM 和SDRAM 。FLASH/ROM/DRAM端口支持NOR-FLASH，NAND-FLASH，ONENAND，CF，ROM 类型外部存储器和移动DDR，DDR，移动SDRAM 和SDRAM 。 为减少系统总成本和提高整体功能，S3C6410 包括许多硬件外设，如一个相机接口，TFT 24 位真彩色液晶显示控制器，系统管理器（电源管理等），4 通道UART，32 通道DMA，4 通道定时器，通用的I/O 端口， IIS 总线接口，IIC 总线接口，USB 主设备，在高速（480 MB/S）时USB OTG 操作，SD 主设备和高速多媒体卡接口、用于产生时钟的PLL。 ARM1176 处理器是通过64 位AXI 总线连接到几个内存控制器上的。这样做是为了满足带宽需求。而外设挂载到AXI/APB桥，并通过AXI32位接口连入CPU。而DMA控制器同时接入了AXI64和AXI32总线，显然它可以在CPU处理其他工作时，获取总线，并在高速设备和低速设备之间完成数据的搬移。
通信主要涉及到CPU和IP，IP和IP之间的通信。ARM中为了支持这类通信，通过对从设备统一编址，所有从设备都被编排到0-4G地址空间内：设备访问区。
主设备被仲裁授权(Arbiter Grant)后，可以访问总线上的所有从设备。典型的IP之间的通信如DMA传输。CPU总是作为主设备存在，而其他IP相对于CPU来说总是作为从设备存在。IP可以发出一个中断请求，CPU进入中断模式，由ISR来处理中断：通常是对设备地址的读写。只有在CPU不占用总线时，其他IP才有可能成为主设备。
其实CPU对外设物理地址的访问有两种方式： 内存映射: 有些体系结构的CPU（如ARM，PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间（RAM）。在这种情况下，外设I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中，而成为存储空间的一部分。此时，CPU可以象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外设I/O指令。这就是所谓的“存储空间映射方式”（Memory Mapped）。简而言之，就是内存（一般是SDRAM）与外设寄存器统一编址。 端口映射: 一些体系结构的CPU（典型地如x86）则为外设专门实现了一个单独地地址空间，称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间，所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）来访问这一空间中的地址单元（也即I/O端口）。这就是所谓的“I/O映射方式”（I/O Mapped）。与RAM物理地址空间相比，I/O地址空间通常都比较小，如x86 CPU的I/O空间就只有64KB（0-0xffff）。这是“I/O映射方式”的一个主要缺点。而且必须要专门的汇编指令才能处理。 访问I/O端口是非常简单的，但是如何检测哪些I/O端口分配给哪些设备使用就不那么简单了。通常内核设备驱动程序为了探测硬件设备，需要盲目地向某一I/O端口写入数据，但是如果其他硬件设备已经使用了这个区域，那么系统就会崩溃。为了防止这种情况的发生，内核必须使用"资源"来记录分配给每个硬件设备的I/O端口。
资源(resource)表示某个实体的一部分，这部分被互斥地非配给设备驱动程序。Linux中一个资源表示一定范围的I/O端口地址。每个资源对应的信息保存在resource数据结构中。所有的同种资源都插入到一个树形结构中。
include/linux/ioport.h
/* Resources are tree-like, allowing nesting etc.. */
struct resource {
resource_size_t start;
resource_size_t end;
const char *name;
unsigned long flags;
struct resource *parent, *sibling, *child;
};
kernel/resource.c
struct resource ioport_resource = {
.name = "PCI IO",
.start = 0,
.end = IO_SPACE_LIMIT,
.flags = IORESOURCE_IO,
};
EXPORT_SYMBOL(ioport_resource);
struct resource iomem_resource = {
.name = "PCI mem",
.start = 0,
.end = -1,
.flags = IORESOURCE_MEM,
};
节点的蛤仔被收益在一个链表中，其第一个元素由child指向。sibling字段指向链表中的下一个节点。为何要使用这种树形结构呢？一个设备控制器可能控制同一类型的多个设备，那么该控制器就可以作为一个父设备存在，它所占用的I/O端口就非别分配给这些设备使用，那么这些设备就依据它们占据I/O端口地址的高低链接到一个链表中，它们之间建立兄弟关系，最后第一个设备就和该设备控制器建立父子关系，如下图所示：
内核procfs文件系统提供了查看当前I/O设备端口或者地址使用情况的接口： #cat /proc/iomem # cat /proc/iomem 50000000-5fffffff : System RAM 5002a000-504b7fff : Kernel text 504b8000-5053bc8d : Kernel data ...... #cat /proc/ioports // 对于使用端口映射方式的系统(ex. x86) 0000-0cf7 : PCI Bus 0000:00 0000-001f : dma1 0020-0021 : pic1 0040-0043 : timer0 ......
request_resource(); 把一个给定范围分配给一个I/O设备。 allocate_resource(); 在资源树中寻找一个给定大小和排列方式的可用范围；若存在，就将这个范围分配给一个I/O设备。 release_resource(); 释放以前分配给I/O设备的给定范围。内核也为以上应用于I/O端口的函数定义了一些快捷函数:request_region()从ioport_resource中自动分配一块满足请求大小的资源;check_mem_region则是从iomem_resource中分配。与此同时release_region和release_mem_region是对应的资源释放函数。
Linux resource机制存在的原因总结如下：
<figure><title>内核RAM布局</title><graphic fileref="images/kernelmap.gif"/></figure>100=1 100=1 第 15.4 节 “Sandbox” [13] emphasis |
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