奔跑吧，SOC（一）——軟件是怎么控制硬件的

很多人肯定很疑惑，在嵌入式開發(fā)中，為什么寫c代碼，就能夠控制硬件。這一切是怎么發(fā)生的了，下面我就給大家解剖一下，軟件是怎么控制硬件的。

我們從控制8個led為例來說明：

從最簡單的開始，如果使用硬件，控制8個led，最簡單的方式是什么：直接接上開關(guān)。就是以下的圖。通過開關(guān)控制led管腳輸出不同的電平，就能控制led了。但是這個方法很不靈活，我們要手動的去撥動開關(guān)，才能改變led狀態(tài)。

我們將上面電路改一下，把開關(guān)的地方換成寄存器，并加一些額外的電路，這樣就可以通過使能信號和信號值改變led值輸出不同電平，間接的控制led了。而使能信號和信號值我們是可以通過外部給的，就比開關(guān)要靈活一些了。

既然，上面有寄存器，我們可以給這個寄存器定義一個地址，當(dāng)然這個地址目前是可以隨意定義的。假設(shè)為0x77777777。你可能會有疑問，為什么要給寄存器定義地址了？而且定義的地址為什么是32位了，這個先不著急，聽我慢慢道來。

我們繼續(xù)在前面加電路

這里，多了一個前級電路，前級電路提供兩個信號，一個地址，一個數(shù)據(jù)。在地址信號通路上，有一個電路模塊，判斷地址是不是0x77777777，是的話，使能信號為1，這樣數(shù)據(jù)不就直接傳遞給寄存器了。不是的話，使能信號為0。寄存器的輸出不變。這樣，通過地址和數(shù)據(jù)就能改變led了。

這里0x77777777是不是很熟悉，這不就是之前定義的寄存器A的地址嗎？原來，地址就是用來產(chǎn)生判斷是否產(chǎn)生使能信號的，使能才能使數(shù)據(jù)能夠輸入到寄存器中。

到了這里，是不是對軟件控制硬件有些眉目了。別著急，我們繼續(xù)往下走。

既然前級電路只需要提供地址和數(shù)據(jù)，并且地址是0x77777777，就可以控制寄存器A的值了，而控制了寄存器A，就控制led。那么我們將前級電路換成一個32位CPU。

我們知道，CPU是可以產(chǎn)生3種總線信號的，一種地址總線，一種數(shù)據(jù)總線，一種控制總線?？刂瓶偩€我們這里用不到。將地址總線接到地址線上，將數(shù)據(jù)總線接到數(shù)據(jù)線上。就是以下的電路：

如果我們讓CPU產(chǎn)生地址為0x77777777，然后發(fā)出想要寫入寄存器A的數(shù)據(jù)B，那么數(shù)據(jù)B不就被寫入到寄存器A中，這樣，不就控制led了。這里知道為什么地址要32位的把，因為CPU是32位的，地址就是32位寬的。之所以定義32位的地址，目的是為了和CPU的地址總線32位寬兼容。

到這里，是不是有豁然開朗的感覺了。我們再繼續(xù)。

我們知道CPU是要取機器碼然后執(zhí)行的。如果剛好某條機器碼，能讓地址總線上產(chǎn)生0x77777777，數(shù)據(jù)總線上產(chǎn)生數(shù)據(jù)B。那么結(jié)果，數(shù)據(jù)B不就被寫入到寄存器A中了。假設(shè)CPU是32位risc的CPU，機器碼就是32位。那么該機器碼應(yīng)該是如下：

1001 0000 1110 0000 1011 1010 1111 0010（假設(shè)）

既然這是一條機器碼，那么就應(yīng)該有一個匯編指令與之對應(yīng)，假設(shè)是

str r0, r1

我們預(yù)先將地址0x77777777寫入到r0中，數(shù)據(jù)B寫入到r1中，那么上面一條語句執(zhí)行后，不就將數(shù)據(jù)B寫入到寄存器A中了，不就控制led了。這樣不就實現(xiàn)了軟件控制了硬件了。既然匯編代碼可以控制硬件了，那么高級語言同樣也是控制硬件的，只要編譯后的匯編代碼是以上代碼就行了。

整體控制硬件的代碼就是

ldr r0, = 0x77777777

ldr r1, =B

str [r0], r1

對應(yīng)的C代碼就是

(*(volatile unsigned long *)0x77777777) = B;

使用指針操作，往0x77777777地址的寄存器寫入數(shù)據(jù)B，加入volatile關(guān)鍵字，是防止編譯器對操作進行優(yōu)化。

通過上面的過程，是不是也可以理解，為什么在嵌入式底層驅(qū)動開發(fā)中，基本都是用C語言，而不用其他高級語言，比如JAVA等。因為這些高級語言沒有指針，你就不能控制寄存器，不能控制寄存器了，你當(dāng)然就控制不了硬件了。C++也很少用，因為底層驅(qū)動開發(fā)需要高效率代碼，不能太復(fù)雜，而C++在這方面，比不過C語言。

以上是寫入的過程了，如果想要知道led的狀態(tài)呢？通過讀取寄存器A的值，不就知道led的狀態(tài)了。原理是一樣的。只不過數(shù)據(jù)線要變成兩根，一個是負責(zé)寫，一根負責(zé)讀。電路圖如下：

因為只考慮了一個寄存器，當(dāng)不選中寄存器A時，讀取的數(shù)據(jù)為全0。

通過，上面的講述，對軟件控制硬件有沒有了解一些了。軟件控制硬件，本質(zhì)上，就是通過寫代碼去修改或讀取硬件對應(yīng)的寄存器的值。這樣，就相當(dāng)于間接的控制了硬件。而硬件的寄存器地址對于一個處理器來說，都是固定的，都預(yù)先定義好了地址。所以在看ARM的數(shù)據(jù)手冊中，可以看到很多寄存器的地址。這些地址的作用，也就是能夠讓你在寫程序的時候，能夠正確的往這些寄存器里面寫入或讀取正確的值，從而控制硬件。

CPU對外看到的都是寄存器，所以硬件設(shè)計的時候，就要對硬件的功能設(shè)置幾個寄存器，然后對這幾個寄存器分別定義幾個地址，這樣CPU才可以去控制這幾個寄存器，也就能控制硬件了。定義的寄存器地址位寬是和CPU的地址線位寬是有關(guān)系的，如果是一個8位的CPU，也就是經(jīng)典的C51，地址的寬度就是8位，所以你可以在頭文件reg51.c中看到使用sfr定義的地址位寬是8位。在STM32中，CPU是32位的，所以地址的寬度就是32位的，所以你看到STM32數(shù)據(jù)手冊中，寄存器的地址都是32位的，而且是4字節(jié)對齊的。

以上，CPU只是控制了一個硬件，led，但是我們知道，CPU是可以控制很多硬件的，那這又是怎么實現(xiàn)的了？這個就得談?wù)勂匣ヂ?lián)總線了。