【博文连载】奔跑吧，SOC（一）——软件是怎么控制硬件的

很多人肯定很疑惑，在嵌入式开发中，为什么写c代码，就能够控制硬件。这一切是怎么发生的了，下面我就给大家解剖一下，软件是怎么控制硬件的。

我们从控制8个led为例来说明：

从最简单的开始，如果使用硬件，控制8个led，最简单的方式是什么：直接接上开关。就是以下的图。通过开关控制led管脚输出不同的电平，就能控制led了。但是这个方法很不灵活，我们要手动的去拨动开关，才能改变led状态。

我们将上面电路改一下，把开关的地方换成寄存器，并加一些额外的电路，这样就可以通过使能信号和信号值改变led值输出不同电平，间接的控制led了。而使能信号和信号值我们是可以通过外部给的，就比开关要灵活一些了。

既然，上面有寄存器，我们可以给这个寄存器定义一个地址，当然这个地址目前是可以随意定义的。假设为0x77777777。你可能会有疑问，为什么要给寄存器定义地址了？而且定义的地址为什么是32位了，这个先不着急，听我慢慢道来。

我们继续在前面加电路

这里，多了一个前级电路，前级电路提供两个信号，一个地址，一个数据。在地址信号通路上，有一个电路模块，判断地址是不是0x77777777，是的话，使能信号为1，这样数据不就直接传递给寄存器了。不是的话，使能信号为0。寄存器的输出不变。这样，通过地址和数据就能改变led了。

这里0x77777777是不是很熟悉，这不就是之前定义的寄存器A的地址吗？原来，地址就是用来判断是否产生使能信号的，使能才能使数据能够输入到寄存器中。

到了这里，是不是对软件控制硬件有些眉目了。别着急，我们继续往下走。

既然前级电路只需要提供地址和数据，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。那么我们将前级电路换成一个32位CPU。

我们知道，CPU是可以产生3种总线信号的，一种地址总线，一种数据总线，一种控制总线。控制总线我们这里用不到。将地址总线接到地址线上，将数据总线接到数据线上。就是以下的电路：

如果我们让CPU产生地址为0x77777777，然后发出想要写入寄存器A的数据B，那么数据B不就被写入到寄存器A中，这样，不就控制led了。这里知道为什么地址要32位的把，因为CPU是32位的，地址就是32位宽的。之所以定义32位的地址，目的是为了和CPU的地址总线32位宽兼容。

到这里，是不是有豁然开朗的感觉了。我们再继续。

我们知道CPU是要取机器码然后执行的。如果刚好某条机器码，能让地址总线上产生0x77777777，数据总线上产生数据B。那么结果，数据B不就被写入到寄存器A中了。假设CPU是32位risc的CPU，机器码就是32位。那么该机器码应该是如下：

1001 0000 1110 0000 1011 1010 1111 0010（假设）

既然这是一条机器码，那么就应该有一个汇编指令与之对应，假设是

str r0, r1

我们预先将地址0x77777777写入到r0中，数据B写入到r1中，那么上面一条语句执行后，不就将数据B写入到寄存器A中了，不就控制led了。这样不就实现了软件控制了硬件了。既然汇编代码可以控制硬件了，那么高级语言同样也是控制硬件的，只要编译后的汇编代码是以上代码就行了。

整体控制硬件的代码就是

ldr  r0, = 0x77777777

ldr  r1, =B

str     [r0], r1

对应的C代码就是

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

使用指针操作，往0x77777777地址的寄存器写入数据B，加入volatile关键字，是防止编译器对操作进行优化。

通过上面的过程，是不是也可以理解，为什么在嵌入式底层驱动开发中，基本都是用C语言，而不用其他高级语言，比如JAVA等。因为这些高级语言没有指针，你就不能控制寄存器，不能控制寄存器了，你当然就控制不了硬件了。C++也很少用，因为底层驱动开发需要高效率代码，不能太复杂，而C++在这方面，比不过C语言。

以上是写入的过程了，如果想要知道led的状态呢？通过读取寄存器A的值，不就知道led的状态了。原理是一样的。只不过数据线要变成两根，一个是负责写，一根负责读。电路图如下：

因为只考虑了一个寄存器，当不选中寄存器A时，读取的数据为全0。

通过，上面的讲述，对软件控制硬件有没有了解一些了。软件控制硬件，本质上，就是通过写代码去修改或读取硬件对应的寄存器的值。这样，就相当于间接的控制了硬件。而硬件的寄存器对于一个处理器来说，都是固定的，都预先定义好了地址。所以在看ARM的数据手册中，可以看到很多寄存器的地址。这些地址的作用，也就是能够让你在写程序的时候，能够正确的往这些寄存器里面写入或读取正确的值，从而控制硬件。

CPU对外看到的都是寄存器，所以硬件设计的时候，就要对硬件的功能设置几个寄存器，然后对这几个寄存器分别定义几个地址，这样CPU才可以去控制这几个寄存器，也就能控制硬件了。定义的寄存器地址位宽是和CPU的地址线位宽是有关系的，如果是一个8位的CPU，也就是经典的C51，地址的宽度就是8位，所以你可以在头文件reg51.c中看到使用sfr定义的地址位宽是8位。在STM32中，CPU是32位的，所以地址的宽度就是32位的，所以你看到STM32数据手册中，寄存器的地址都是32位的，而且是4字节对齐的。

以上，CPU只是控制了一个硬件，led，但是我们知道，CPU是可以控制很多硬件的，那这又是怎么实现的了？这个就得谈谈片上互联总线了。