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(gè)led為例來(lái)說(shuō)明：

　　從最簡(jiǎn)單的開始，如果使用硬件，控制8個(gè)led，最簡(jiǎn)單的方式是什么：直接接上開關(guān)。就是以下的圖。通過(guò)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(gè)方法很不靈活，我們要手動(dòng)的去撥動(dòng)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(guò)使能信號(hào)和信號(hào)值改變led值輸出不同電平，間接的控制led了。而使能信號(hào)和信號(hào)值我們是可以通過(guò)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(gè)寄存器定義一個(gè)地址，當(dāng)然這個(gè)地址目前是可以隨意定義的。假設(shè)為0x77777777。你可能會(huì)有疑問(wèn)，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(gè)先不著急，聽我慢慢道來(lái)。

　　我們繼續(xù)在前面加電路

　　這里，多了一個(gè)前級(jí)電路，前級(jí)電路提供兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)地址，一個(gè)數(shù)據(jù)。在地址信號(hào)通路上，有一個(gè)電路模塊，判斷地址是不是0x77777777，是的話，使能信號(hào)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(hào)為0。寄存器的輸出不變。這樣，通過(guò)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(lái)，地址就是用來(lái)判斷是否產(chǎn)生使能信號(hào)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(duì)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(jí)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(jí)電路換成一個(gè)32位CPU。

　　我們知道，CPU是可以產(chǎn)生3種總線信號(hào)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?yàn)镃PU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(jué)了。我們?cè)倮^續(xù)。

　　我們知道CPU是要取機(jī)器碼然后執(zhí)行的。如果剛好某條機(jī)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(jī)器碼就是32位。那么該機(jī)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(jī)器碼，那么就應(yīng)該有一個(gè)匯編指令與之對(duì)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(yǔ)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(shí)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(jí)語(yǔ)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(duì)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(duì)操作進(jìn)行優(yōu)化。

　　通過(guò)上面的過(guò)程，是不是也可以理解，為什么在嵌入式底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)中，基本都是用C語(yǔ)言，而不用其他高級(jí)語(yǔ)言，比如JAVA等。因?yàn)檫@些高級(jí)語(yǔ)言沒(méi)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?yàn)榈讓域?qū)動(dòng)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(guò)C語(yǔ)言。

　　以上是寫入的過(guò)程了，如果想要知道led的狀態(tài)呢?通過(guò)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(guò)數(shù)據(jù)線要變成兩根，一個(gè)是負(fù)責(zé)寫，一根負(fù)責(zé)讀。電路圖如下：

　　因?yàn)橹豢紤]了一個(gè)寄存器，當(dāng)不選中寄存器A時(shí)，讀取的數(shù)據(jù)為全0。

　　通過(guò)，上面的講述，對(duì)軟件控制硬件有沒(méi)有了解一些了。軟件控制硬件，本質(zhì)上，就是通過(guò)寫代碼去修改或讀取硬件對(duì)應(yīng)的寄存器的值。這樣，就相當(dāng)于間接的控制了硬件。而硬件的寄存器對(duì)于一個(gè)處理器來(lái)說(shuō)，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(cè)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(shí)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(duì)外看到的都是寄存器，所以硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，就要對(duì)硬件的功能設(shè)置幾個(gè)寄存器，然后對(duì)這幾個(gè)寄存器分別定義幾個(gè)地址，這樣CPU才可以去控制這幾個(gè)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(gè)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(cè)中，寄存器的地址都是32位的，而且是4字節(jié)對(duì)齊的。

　　以上，CPU只是控制了一個(gè)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(shí)現(xiàn)的了?這個(gè)就得談?wù)勂匣ヂ?lián)總線了。