c语言如何访问物理端口

C语言访问物理端口的方法有：使用内嵌汇编代码、使用特定的库函数、使用系统调用。其中，最常见的是使用内嵌汇编代码进行端口访问。在详细介绍这一点之前，我们需要了解一些背景知识，包括计算机硬件的基本概念、端口的分类以及操作系统对端口访问的限制。

一、计算机硬件与端口基础知识

1.1 硬件端口概念

硬件端口是计算机与外部设备进行数据交换的接口。它们可以是并行端口、串行端口、USB端口等。这些端口通过特定的地址在内存中进行映射，称为“端口地址”。每个设备都有一个唯一的端口地址，通过这个地址，计算机能够识别并与设备通信。

1.2 端口类型

计算机的端口主要分为两类：I/O端口和内存映射端口。I/O端口使用特定的指令进行访问（如x86架构中的in和out指令），而内存映射端口则通过普通的内存读写操作进行访问。

二、操作系统对端口访问的限制

2.1 用户态与内核态

现代操作系统将操作分为用户态和内核态。用户态程序无法直接访问硬件端口，这是为了保护系统稳定性和安全性。只有内核态程序（如设备驱动程序）才能直接访问硬件端口。

2.2 特权指令

访问I/O端口需要使用特权指令（如x86架构中的in和out指令）。这些指令只能在内核态执行，用户态程序无法直接使用这些指令。

三、使用内嵌汇编代码访问端口

3.1 x86架构中的`in`和`out`指令

在x86架构中，in和out指令用于访问I/O端口。in指令从端口读取数据，而out指令向端口写入数据。我们可以使用C语言的内嵌汇编功能来调用这些指令。

3.2 实例代码

下面是一个使用内嵌汇编代码访问I/O端口的示例：

#include <stdio.h>
// 定义端口地址
#define PORT 0x60
// 从端口读取数据
unsigned char inb(unsigned short port) {
    unsigned char result;
    __asm__ __volatile__("inb %1, %0" : "=a"(result) : "dN"(port));
    return result;
}
// 向端口写入数据
void outb(unsigned short port, unsigned char data) {
    __asm__ __volatile__("outb %0, %1" : : "a"(data), "dN"(port));
}
int main() {
    unsigned char data;
    // 从端口读取数据
    data = inb(PORT);
    printf("Data read from port 0x%x: 0x%xn", PORT, data);
    // 向端口写入数据
    outb(PORT, 0xFF);
    printf("Data 0xFF written to port 0x%xn", PORT);
    return 0;
}

在上述代码中，我们定义了两个函数inb和outb，分别用于从端口读取数据和向端口写入数据。通过内嵌汇编代码，我们可以使用in和out指令访问I/O端口。

四、使用特定库函数访问端口

4.1 `ioperm`和`iopl`函数

在一些类Unix操作系统中（如Linux），可以使用ioperm和iopl函数来设置进程的I/O权限。这些函数允许用户态程序在特定的端口范围内进行I/O操作。

4.2 实例代码

下面是一个使用ioperm和iopl函数访问端口的示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/io.h>
// 定义端口地址
#define PORT 0x60
int main() {
    unsigned char data;
    // 设置进程的I/O权限
    if (ioperm(PORT, 1, 1) != 0) {
        perror("ioperm");
        return 1;
    }
    // 从端口读取数据
    data = inb(PORT);
    printf("Data read from port 0x%x: 0x%xn", PORT, data);
    // 向端口写入数据
    outb(PORT, 0xFF);
    printf("Data 0xFF written to port 0x%xn", PORT);
    // 释放进程的I/O权限
    if (ioperm(PORT, 1, 0) != 0) {
        perror("ioperm");
        return 1;
    }
    return 0;
}

在上述代码中，我们使用ioperm函数设置进程的I/O权限，使其能够访问端口地址0x60。然后，我们使用inb和outb函数进行I/O操作，并在操作完成后释放I/O权限。

五、使用系统调用访问端口

5.1 系统调用概述

一些操作系统提供了系统调用接口，允许用户态程序通过系统调用访问I/O端口。这些系统调用通常需要特定的权限或配置。

5.2 实例代码

不同操作系统的系统调用接口可能有所不同，下面以Linux系统为例，介绍如何使用iopl系统调用访问I/O端口：

#include <stdio.h>
#include <sys/io.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>
// 定义端口地址
#define PORT 0x60
int main() {
    unsigned char data;
    // 设置进程的I/O权限
    if (iopl(3) != 0) {
        perror("iopl");
        return 1;
    }
    // 从端口读取数据
    data = inb(PORT);
    printf("Data read from port 0x%x: 0x%xn", PORT, data);
    // 向端口写入数据
    outb(PORT, 0xFF);
    printf("Data 0xFF written to port 0x%xn", PORT);
    // 释放进程的I/O权限
    if (iopl(0) != 0) {
        perror("iopl");
        return 1;
    }
    return 0;
}

在上述代码中，我们使用iopl系统调用设置进程的I/O权限，使其能够访问所有I/O端口。然后，我们使用inb和outb函数进行I/O操作，并在操作完成后释放I/O权限。

六、操作系统的设备驱动程序

6.1 设备驱动程序概述

设备驱动程序是操作系统内核的一部分，负责管理硬件设备的操作。用户态程序通常通过系统调用与设备驱动程序通信，而不是直接访问硬件端口。

6.2 编写设备驱动程序

编写设备驱动程序需要深入了解操作系统内核的工作原理和硬件设备的接口规范。下面以Linux内核为例，介绍一个简单的设备驱动程序：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#define DEVICE_NAME "mydevice"
#define PORT 0x60
static int device_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    return 0;
}
static int device_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    return 0;
}
static ssize_t device_read(struct file *file, char __user *buffer, size_t length, loff_t *offset) {
    unsigned char data = inb(PORT);
    if (copy_to_user(buffer, &data, 1)) {
        return -EFAULT;
    }
    return 1;
}
static ssize_t device_write(struct file *file, const char __user *buffer, size_t length, loff_t *offset) {
    unsigned char data;
    if (copy_from_user(&data, buffer, 1)) {
        return -EFAULT;
    }
    outb(PORT, data);
    return 1;
}
static struct file_operations fops = {
    .open = device_open,
    .release = device_release,
    .read = device_read,
    .write = device_write,
};
static int __init mydevice_init(void) {
    int result = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
    if (result < 0) {
        printk(KERN_ALERT "Registering char device failed with %dn", result);
        return result;
    }
    printk(KERN_INFO "I was assigned major number %d. To talk ton", result);
    return 0;
}
static void __exit mydevice_exit(void) {
    unregister_chrdev(0, DEVICE_NAME);
}
module_init(mydevice_init);
module_exit(mydevice_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Author");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Linux char device driver");

在上述代码中，我们编写了一个简单的字符设备驱动程序，允许用户态程序通过read和write系统调用访问端口地址0x60。设备驱动程序运行在内核态，因此可以直接使用inb和outb指令访问I/O端口。

七、总结

C语言访问物理端口的方法有多种，包括使用内嵌汇编代码、使用特定的库函数和系统调用。每种方法都有其优缺点，选择合适的方法取决于具体的应用场景和操作系统环境。对于需要频繁访问硬件端口的应用，编写设备驱动程序可能是最合适的解决方案。通过设备驱动程序，用户态程序可以安全、稳定地与硬件设备进行通信。