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你知道到吗,C语言竟是如何调用硬件的?

发布日期:2019-11-25 10:08 来源:和记h88 发布人:和记娱乐 点击:

  c语言在实际运行中,都是以汇编指令的方式运行的,由编译器把C语言编译成汇编指令,CPU直接执行汇编指令。

  通过向内存空间写数据。硬件会把硬件上的各种寄存器(外行可以理解为访问硬件的接口或者操作硬件的工具)映射到某一块内存地址空间上,之后只要用汇编指令,甚至C语言去读写这一段内存地址空间(并非真正操作物理内存),就可以达到操作硬件的目的了。

  硬件的各种寄存器会被映射到某一块物理内存中,这种方式称为MMIO,在Windows的设备管理器里,右键点设备,看属性-》资源里,不少硬件设备都有“内存范围”的参数,这里的内存范围就表示这个硬件的资源可以通过访问这一段内存来控制它。

  x86汇编中,还有两个特殊的指令是IN和OUT,这是x86平有的,图里的I/O范围,就是用IN/OUT这两个指令来访问和控制的。

  那么为什么平时很难用C语言操作硬件呢?这是因为平时写的代码大多数都在模式下,模式下,直接访问物理地址会受到,C语言操作的地址都是虚地址。

  原来的8086cpu设计的时候,地址空间有一块区域(640K-1M)之间,有一块作为显存使用

  这里你说的预留的地址,是指物理地址,这一段地址的准确范围是000A0000-000BFFFF,不管是32位还是64位CPU,这一段物理内存地址一直都保留给显存使用,不区分32位还是64位,也不区分模式还是实模式。

  因为现在的软件都运行在模式下,访问的地址都是虚拟地址,而并非物理地址,包括你使用cmd命令打开的,都是虚拟地址,虽然32位XP里能用debug命令向000B8000上写数据并能显示在cmd的界面里,但本质上,这都是虚拟出来的。

  自己写一个简易的操作系统,不启动显卡的各种图形加速功能,CPU进入模式后在T里映射一个4G的数据段,与物理地址一致,那么向000B8000上写数据,就会像过去DOS一样显示在屏幕上,所以模式下也可以访问这一段内存。所以,模式下,也可以用它。

  有很多内存地址被映射给显存了,就是通过这种映射关系,把一些物理地址留给显存,使得CPU能像访问内存一样访问显存资源。

  当然,实际情况是,2G显存未必完全映射,而是只映射一部分地址,显卡有一些的寄存器能够控制哪部分显存映射过来,这样就能使得CPU在使用比较少的物理地址范围的情况下,访问全部的显存。

  还有一个很有意思的事情:在虚拟机里,找到映射的高地址部分的第一块内存区域,写一个能直接访问物理地址的程序(比如一个驱动),去读这一块内存,然后写到文件里,再用屏幕截图,也写到文件里,会发现截图的内容和显存里读出来的内容基本上是一样的。

  这款芯片里面有cpu, 内存,寄存器(先不要觉得看到新名词压力大,继续往下看)等等,相当于我们的电脑了,但还要外接其它硬件。

  芯片的引脚跟寄存器是相对应的,寄存器是8位的内存单元(对,存在于内存),当你往这个内存单元里面写入数据时,芯片的引脚的电压会发生变化,比如说我写入的是01100001,则芯片上与之对应的8个引脚的电压状态(分为高电平与低电平两种)会输出:低高高低低低低高。

  结论:所以从两点可以我们可以知道,cpu可以执行指令,使芯片的引脚电平(电压)发生变化。

  单片机芯片与该显示器相连后,可以通过引脚往该显示器的内存里写数据(通过多个引脚电平的高低不同来代表不同的数据,比如说:低高高低低低低高 代表01100001,这个数据写在显示器的内存里面,被显示器所显示,当然,会根据ASCII来显示数字对应的字符,01100001对应的字符是‘a’),除了接收数据的引脚外,还有控制显示器的引脚(这个我们会在驱动那里介绍,继续往下看)。

  那么,什么是驱动呢?驱动无非就是硬件跟软件的中间层,但我们不纠结这种关系,直接来看一下,对于我们这个例子,驱动指的是什么。首先我们要知道:

  于是这里驱动程序,指的是显示器所支持操作的程序表示。比如说清除显示,我们可以编写一个clear()函数,光标移动,我们编写一个move_cursor()函数,读取数据和写数据分别为read()和write(),然后分别实现就可以了(通过向寄存器里写数据的形式,进而控制引脚的电平变化,再而控制显示器,这个过程前面已有介绍)。这些函数就是驱动程序了。为什么说驱动程序可以屏蔽掉硬件呢?因为程序员可以使用前面的驱动程序来直接操作显示器(硬件),而不用知道太多关于硬件的事情,而一般的驱动程序也可以由厂家来提供。

  再说明一点:一般这些驱动程序可以用汇编写(出于运行效率的考虑),也可以用C语言来编写的,比如说我的例子,就可以直接用C语言来编写。当然C语言内联汇编的形式也可以。

  内存里有一段是跟寄存器相对应的,而寄存器是跟芯片的引脚相对应的,于是操作该段内存就能控制芯片引脚的电压变化。

  硬件(比如说显示器)有引脚(或者说排线,这些也是一样的东西),这些引脚跟芯片的引脚相连可以接受芯片的控制。

  于是我们的C语言只要去调用这个驱动程序就可以直接操作硬件了。(当然驱动程序也可以由C语言来编写,所以C语言操作硬件并不一定要经过驱动程序)。

  1 语言层面上,C能直接操作的“硬件”只有内存地址。虽然C支持register关键字,但是不能指定某个特定的寄存器,所以只有内存地址。而C中操作内存地址的方式就是指针。例如:

  2 根据1反推,可以明白如果要给C来操作某个硬件,最直接的方案就是设计硬件的时候预先分配好一些固定的地址的用途,然后实际项目中往这些固定地址写入的数据。这样就可以通过类似

  3 那这个地址怎么拿到呢?什么样的数据才是的呢?要解答这些问题,就需要查阅具体设备的spec了。例如这个一眼看过去就能的明白的例子(一眼没看明白请反复阅读以完全理解第二点内容):

  我们是用电脑的键盘来输入的指令,每一个指令都对应一个ASCII码,而这里的ASCII码就是有序的电压的高低(或电流的有无,下面只提电压的高低),即我们输入的是电压的高低,你所看到代码是这些电压的高低控制显示器所显示的图像,其实电脑也不知道它是什么,只知道这样显示。

  编译是一个有序的电压的高低向另一种有序的电压高低的一种转换过程,下面以52单片机为例,我们编译是从表示ASCII码的那种有序电压高低转换为52单片机能够识别的另一种好的有序电压高低,即表示HEX文件的电压高低。

  接下俩就是烧录,理解了两点就很容易理解下面的内容,烧录就是电脑中的有序电压高低通过数据线传输到单片机中的ROM中。

  总结:从代码的编辑到最后对电的控制都是电压在起作用,只是为了方面我们而给我们展现的形式不一样而已,而其本质都是电压,这样也就不存在转换。

  只要你提到0/1,提到软件,这个问题就没解。..因为软件【包括0/1】和硬件始终存在一道无法跨越的鸿沟;

  你说你在单片机中写0,请问你是如何写0的?在键盘上敲个0?实际还是电平【和我们理解的数字没关系】,那个0只是你在电脑显示器上电平的呈现形式,那个所谓的0【实质是电平】可以传输到单片机中的ROM中,电平控制电平没什么疑问吧,这样就输出低电平了。

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