C語(yǔ)言如何調(diào)用硬件
大家都知道我們可以使用C語(yǔ)言寫(xiě)一段程序來(lái)控制硬件工作，但你知道其工作原理嗎?本文特意為大家收集整理了C語(yǔ)言是如何調(diào)用硬件，希望大家喜歡！
c語(yǔ)言在實(shí)際運(yùn)行中，都是以匯編指令的方式運(yùn)行的，由編譯器把C語(yǔ)言編譯成匯編指令，CPU直接執(zhí)行匯編指令。
所以這個(gè)問(wèn)題就變成，匯編指令是如何操作硬件的?
如果把硬件平臺(tái)限制在x86環(huán)境下，那么匯編指令操作硬件基本上只有兩種方式：
方式一：
通過(guò)向內(nèi)存空間寫(xiě)數(shù)據(jù)。硬件會(huì)把硬件上的各種寄存器(外行可以理解為訪(fǎng)問(wèn)硬件的接口或者操作硬件的工具)映射到某一塊內(nèi)存地址空間上，之后只要用匯編指令，甚至C語(yǔ)言去讀寫(xiě)這一段內(nèi)存地址空間(并非真正操作物理內(nèi)存)，就可以達(dá)到操作硬件的目的了。
如果題主還有WindowsXP環(huán)境(虛擬機(jī)也可以)，就可以用匯編指令直接操作顯存：
MOV AX，B800
MOV ES，AX
XOR DI，DI
MOV CX，0800
MOV AX，5555
REPZ STOSB
硬件的各種寄存器會(huì)被映射到某一塊物理內(nèi)存中，這種方式稱(chēng)為MMIO，在Windows的設(shè)備管理器里，右鍵點(diǎn)設(shè)備，看屬性-》資源里，不少硬件設(shè)備都有“內(nèi)存范圍”的參數(shù)，這里的內(nèi)存范圍就表示這個(gè)硬件的資源可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)這一段內(nèi)存來(lái)控制它。
方式二：
x86匯編中，還有兩個(gè)特殊的指令是IN和OUT，這是x86平臺(tái)才獨(dú)有的，上面圖里的I/O范圍，就是用IN/OUT這兩個(gè)指令來(lái)訪(fǎng)問(wèn)和控制的。
以上兩種訪(fǎng)問(wèn)硬件的方式，第一種是可以用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，上面一段匯編，本質(zhì)上類(lèi)似于C語(yǔ)言代碼：
char ptr = 0xB8000;
int i;
for (i = 0; i 《0x800; i++)
{ptr + i = 0x55;
}
第二種IN/OUT方式?jīng)]有直接的C語(yǔ)言語(yǔ)法對(duì)應(yīng)，需要自己封裝匯編。
那么為什么平時(shí)很難用C語(yǔ)言操作硬件呢?這是因?yàn)槠綍r(shí)寫(xiě)的代碼大多數(shù)都在保護(hù)模式下，保護(hù)模式下，直接訪(fǎng)問(wèn)物理地址會(huì)受到限制，C語(yǔ)言操作的地址都是虛地址。
對(duì)于Windows來(lái)說(shuō)，要訪(fǎng)問(wèn)物理地址，需要工作在內(nèi)核模式，也就是的寫(xiě)驅(qū)動(dòng)才行。
而在顯存方面，首先，題主要先明白物理地址和虛擬地址的概念。
原來(lái)的8086cpu設(shè)計(jì)的時(shí)候，地址空間有一塊區(qū)域(640K-1M)之間，有一塊作為顯存使用
這里你說(shuō)的預(yù)留的地址，是指物理地址，這一段地址的準(zhǔn)確范圍是000A0000-000BFFFF，不管是32位還是64位CPU，這一段物理內(nèi)存地址一直都保留給顯存使用，不區(qū)分32位還是64位，也不區(qū)分保護(hù)模式還是實(shí)模式。
可見(jiàn)這一段內(nèi)存至今仍然是留給顯卡使用的。
那么現(xiàn)在為什么不能直接用這段內(nèi)存了?
因?yàn)楝F(xiàn)在的軟件都運(yùn)行在保護(hù)模式下，訪(fǎng)問(wèn)的地址都是虛擬地址，而并非物理地址，包括你使用cmd命令打開(kāi)的環(huán)境，都是虛擬地址，雖然32位XP里能用debug命令向000B8000上寫(xiě)數(shù)據(jù)并能顯示在cmd的界面里，但本質(zhì)上，這都是虛擬出來(lái)的。
如果要想用這段顯存怎么辦?
自己寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)易的操作系統(tǒng)，不啟動(dòng)顯卡的各種圖形加速功能，CPU進(jìn)入保護(hù)模式后在GDT里映射一個(gè)4G的數(shù)據(jù)段，與物理地址一致，那么向000B8000上寫(xiě)數(shù)據(jù)，就會(huì)像過(guò)去DOS一樣顯示在屏幕上，所以保護(hù)模式下也可以訪(fǎng)問(wèn)這一段內(nèi)存。所以，保護(hù)模式下，也可以用它。
顯卡那么多顯存是怎么映射的?
有很多內(nèi)存地址被映射給顯存了，就是通過(guò)這種映射關(guān)系，把一些物理地址留給顯存，使得CPU能像訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存一樣訪(fǎng)問(wèn)顯存資源。
當(dāng)然，實(shí)際情況是，2G顯存未必完全映射，而是只映射一部分地址，顯卡有一些開(kāi)放的寄存器能夠控制哪部分顯存映射過(guò)來(lái)，這樣就能使得CPU在使用比較少的物理地址范圍的情況下，訪(fǎng)問(wèn)全部的顯存。
還有一個(gè)很有意思的事情：在虛擬機(jī)里，找到映射的高地址部分的第一塊內(nèi)存區(qū)域，寫(xiě)一個(gè)能直接訪(fǎng)問(wèn)物理地址的程序(比如一個(gè)驅(qū)動(dòng))，去讀這一塊內(nèi)存，然后寫(xiě)到文件里，再用屏幕截圖，也寫(xiě)到文件里，會(huì)發(fā)現(xiàn)截圖的內(nèi)容和顯存里讀出來(lái)的內(nèi)容基本上是一樣的。
要回答你的問(wèn)題，我們需要要知道：
硬件是一種什么樣的存在
什么是驅(qū)動(dòng)。
C語(yǔ)言怎么操作硬件
我就不嚴(yán)格去定義這些概念了，我就以一個(gè)例子來(lái)通俗地講解一下吧。
首先講硬件：
先介紹一款單片機(jī)芯片STM8。
這款芯片里面有cpu， 內(nèi)存，寄存器(先不要覺(jué)得看到新名詞壓力大，繼續(xù)往下看)等等，相當(dāng)于我們的電腦了，但還要外接其它硬件。
這里你需要知道的概念是：
芯片的引腳跟寄存器是相對(duì)應(yīng)的，寄存器是8位的內(nèi)存單元(對(duì)，存在于內(nèi)存上面)，當(dāng)你往這個(gè)內(nèi)存單元里面寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，芯片的引腳的電壓會(huì)發(fā)生變化，比如說(shuō)我寫(xiě)入的是01100001，則芯片上與之對(duì)應(yīng)的8個(gè)引腳的電壓狀態(tài)(分為高電平與低電平兩種)會(huì)輸出：低高高低低低低高。
cpu可以執(zhí)行代碼指令，指令可以操作內(nèi)存。
結(jié)論：所以從上面兩點(diǎn)可以我們可以知道，cpu可以執(zhí)行指令，使芯片的引腳電平(電壓)發(fā)生變化。
關(guān)于這款顯示器，我們需要知道的是：
它是有引腳的，這些引腳可以跟到前面介紹的那款單片機(jī)芯片的引腳相連。
該顯示器有自帶的內(nèi)存，用于存儲(chǔ)要顯示的字符，顯示器從該內(nèi)存里面讀取字符來(lái)來(lái)顯示。
單片機(jī)芯片與該顯示器相連后，可以通過(guò)引腳往該顯示器的內(nèi)存里寫(xiě)數(shù)據(jù)(通過(guò)多個(gè)引腳電平的高低不同來(lái)代表不同的數(shù)據(jù)，比如說(shuō)：低高高低低低低高 代表01100001，這個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)在顯示器的內(nèi)存里面，被顯示器所顯示，當(dāng)然，會(huì)根據(jù)ASCII來(lái)顯示數(shù)字對(duì)應(yīng)的字符，01100001對(duì)應(yīng)的字符是‘a(chǎn)’)，除了接收數(shù)據(jù)的引腳外，還有控制顯示器的引腳(這個(gè)我們會(huì)在驅(qū)動(dòng)那里介紹，繼續(xù)往下看)。
結(jié)論：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片與顯示器相連，可以通過(guò)引腳輸出的電平來(lái)控制顯示器的字符顯示。
那么，綜合上面，也就是說(shuō)，單片機(jī)芯片cpu可以通過(guò)執(zhí)行指令來(lái)控制顯示器的字符顯示。
而這里，題主所說(shuō)的硬件，指的就是這個(gè)顯示器了。
接下來(lái)講驅(qū)動(dòng)：
那么，什么是驅(qū)動(dòng)呢?驅(qū)動(dòng)無(wú)非就是硬件跟軟件的中間層，但我們不糾結(jié)這種關(guān)系，直接來(lái)看一下，對(duì)于我們這個(gè)例子，驅(qū)動(dòng)指的是什么。首先我們要知道：
顯示器支持很多種操作，比如說(shuō)清除顯示，光標(biāo)移動(dòng)，讀取數(shù)據(jù)，寫(xiě)數(shù)據(jù)等等。
這些操作數(shù)據(jù)引腳和控制引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。
引腳可以通過(guò)單片機(jī)芯片來(lái)控制。
結(jié)論：我們可以通過(guò)在單片機(jī)芯片里面寫(xiě)顯示器的“驅(qū)動(dòng)”程序來(lái)屏蔽掉硬件(顯示器硬件)層。
于是這里驅(qū)動(dòng)程序，指的是顯示器所支持操作的程序表示。比如說(shuō)清除顯示，我們可以編寫(xiě)一個(gè)clear()函數(shù)，光標(biāo)移動(dòng)，我們編寫(xiě)一個(gè)move_cursor()函數(shù)，讀取數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)分別為read()和write()，然后分別實(shí)現(xiàn)就可以了(通過(guò)向寄存器里寫(xiě)數(shù)據(jù)的形式，進(jìn)而控制引腳的電平變化，再而控制顯示器，這個(gè)過(guò)程前面已有介紹)。這些函數(shù)就是驅(qū)動(dòng)程序了。為什么上面說(shuō)驅(qū)動(dòng)程序可以屏蔽掉硬件呢?因?yàn)槌绦騿T可以使用前面的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)直接操作顯示器(硬件)，而不用知道太多關(guān)于硬件的事情，而一般的驅(qū)動(dòng)程序也可以由廠(chǎng)家來(lái)提供。
再說(shuō)明一點(diǎn)：一般這些驅(qū)動(dòng)程序可以用匯編寫(xiě)(出于運(yùn)行效率的考慮)，也可以用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)的，比如說(shuō)我上面的例子，就可以直接用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。當(dāng)然C語(yǔ)言?xún)?nèi)聯(lián)匯編的形式也可以。
最后講C語(yǔ)言怎么操作硬件：
相信到這里，C語(yǔ)言是怎么操作硬件的已經(jīng)比較明白了。
這里總結(jié)一下：
C語(yǔ)言由CPU運(yùn)行(實(shí)際上是先編譯成機(jī)器碼存在芯片里面然后執(zhí)行)，可以去操作內(nèi)存。
內(nèi)存里有一段是跟寄存器相對(duì)應(yīng)的，而寄存器是跟芯片的引腳相對(duì)應(yīng)的，于是操作該段內(nèi)存就能控制芯片引腳的電壓變化。
硬件(比如說(shuō)顯示器)有引腳(或者說(shuō)排線(xiàn)，這些也是一樣的東西)，這些引腳跟芯片的引腳相連可以接受芯片的控制。
可以把對(duì)某個(gè)硬件的操作做成一系列操作函數(shù)，這些操作函數(shù)就是驅(qū)動(dòng)程序了。
于是我們的C語(yǔ)言只要去調(diào)用這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序就可以直接操作硬件了。(當(dāng)然驅(qū)動(dòng)程序也可以由C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，所以C語(yǔ)言操作硬件并不一定要經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)程序)。
北極已經(jīng)說(shuō)的很到位了。我補(bǔ)充一些知識(shí)點(diǎn)：
1 語(yǔ)言層面上，C能直接操作的“硬件”只有內(nèi)存地址。雖然C支持register關(guān)鍵字，但是不能指定某個(gè)特定的寄存器，所以只有內(nèi)存地址。而C中操作內(nèi)存地址的方式就是指針。例如：
char p = 。..;p = 。..;
2 根據(jù)1反推，可以明白如果要開(kāi)放給C來(lái)操作某個(gè)硬件，最直接的方案就是設(shè)計(jì)硬件的時(shí)候預(yù)先分配好一些固定的地址的用途，然后實(shí)際項(xiàng)目中往這些固定地址寫(xiě)入合法的數(shù)據(jù)。這樣就可以通過(guò)類(lèi)似
uint32_t p = SCREEN_ADDR;p = RGBA(0xff，0xff，0xff，0xff);
這樣的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作了。
3 那這個(gè)地址怎么拿到呢?什么樣的數(shù)據(jù)才是合法的呢?要解答這些問(wèn)題，就需要查閱具體設(shè)備的spec了。例如這個(gè)一眼看過(guò)去就能的明白的例子(一眼沒(méi)看明白請(qǐng)反復(fù)閱讀以完全理解上面第二點(diǎn)內(nèi)容)：
PS：x86架構(gòu)的代碼不能這么寫(xiě)，原因見(jiàn)北極的回答。
我們是用電腦的鍵盤(pán)來(lái)輸入的指令，每一個(gè)指令都對(duì)應(yīng)一個(gè)ASCII碼，而這里的ASCII碼就是有序的電壓的高低(或電流的有無(wú)，下面只提電壓的高低)，即我們輸入的是電壓的高低，你所看到代碼是這些電壓的高低控制顯示器所顯示的圖像，其實(shí)電腦也不知道它是什么，只知道這樣顯示。
結(jié)論：代碼其實(shí)就是存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(內(nèi)存、硬盤(pán)或者閃存等等)中有序的電壓的高低。
再說(shuō)編譯：
編譯是一個(gè)有序的電壓的高低向另一種有序的電壓高低的一種轉(zhuǎn)換過(guò)程，下面以52單片機(jī)為例，我們編譯是從表示ASCII碼的那種有序電壓高低轉(zhuǎn)換為52單片機(jī)能夠識(shí)別的另一種規(guī)定好的有序電壓高低，即表示HEX文件的電壓高低。
結(jié)論：編譯出的結(jié)果還是電腦中存儲(chǔ)的有序電壓高低。
到單片機(jī)燒錄：
接下倆就是燒錄，理解了上面兩點(diǎn)就很容易理解下面的內(nèi)容，燒錄就是電腦中的有序電壓高低通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中的ROM中。
接下來(lái)ROM就可以釋放其中的電壓來(lái)控制外圍的電路。
總結(jié)：從代碼的編輯到最后對(duì)電路的控制都是電壓在起作用，只是為了方面我們而給我們展現(xiàn)的形式不一樣而已，而其本質(zhì)都是電壓，這樣也就不存在轉(zhuǎn)換。
理解這句話(huà)：世界上沒(méi)有軟件，軟件只是對(duì)硬件的一種反映，就像意識(shí)是對(duì)世界的一種反映是一樣的!
相信這樣就很容易理解了。
看到有人贊同了我的觀(guān)點(diǎn)，很開(kāi)心，針對(duì)題目我再補(bǔ)充一點(diǎn)：
只要你提到0/1，提到軟件，這個(gè)問(wèn)題就沒(méi)法理解。..因?yàn)檐浖景?/1】和硬件始終存在一道無(wú)法跨越的鴻溝;
你說(shuō)你在單片機(jī)中寫(xiě)0，請(qǐng)問(wèn)你是如何寫(xiě)0的?在鍵盤(pán)上敲個(gè)0?實(shí)際還是電平【和我們理解的數(shù)字沒(méi)關(guān)系】，那個(gè)0只是你在電腦顯示器上電平的呈現(xiàn)形式，那個(gè)所謂的0【實(shí)質(zhì)是電平】可以傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中的ROM中，電平控制電平?jīng)]什么疑問(wèn)吧，這樣就輸出低電平了。
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