C語言調(diào)用硬件的基本原理

大家都知道我們可以使用C語言寫一段程序來控制硬件工作，但你知道其工作原理嗎？

網(wǎng)友北極

C語言在實際運行中，都是以匯編指令的方式運行的，由編譯器把C語言編譯成匯編指令，CPU直接執(zhí)行匯編指令。

所以這個問題就變成，匯編指令是如何操作硬件的？

如果把硬件平臺限制在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：

通過向內(nèi)存空間寫數(shù)據(jù)。硬件會把硬件上的各種寄存器（外行可以理解為訪問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語言去讀寫這一段內(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（虛擬機也可以），就可以用匯編指令直接操作顯存：

MOV AX，B800MOV ES，AXXOR DI，DIMOV CX，0800MOV AX，5555REPZ STOSB

硬件的各種寄存器會被映射到某一塊物理內(nèi)存中，這種方式稱為MMIO，在Windows的設(shè)備管理器里，右鍵點設(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)存范圍就表示這個硬件的資源可以通過訪問這一段內(nèi)存來控制它。

具體如下圖：

方式二：

x86匯編中，還有兩個特殊的指令是IN和OUT，這是x86平***有的，上面圖里的I/O范圍，就是用IN/OUT這兩個指令來訪問和控制的。

以上兩種訪問硬件的方式，第一種是可以用C語言實現(xiàn)的，上面一段匯編，本質(zhì)上類似于C語言代碼：

charptr = 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語言語法對應(yīng)，需要自己封裝匯編。

那么為什么平時很難用C語言操作硬件呢？這是因為平時寫的代碼大多數(shù)都在保護模式下，保護模式下，直接訪問物理地址會受到限制，C語言操作的地址都是虛地址。

對于Windows來說，要訪問物理地址，需要工作在內(nèi)核模式，也就是的寫驅(qū)動才行。

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。

原來的8086cpu設(shè)計的時候，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)分保護模式還是實模式。

以下是我電腦上的截圖（系統(tǒng)環(huán)境為Win7 64位，CPU是i7 4770K）：

可見這一段內(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？

因為現(xiàn)在的軟件都運行在保護模式下，訪問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，這都是虛擬出來的。

如果要想用這段顯存怎么辦？

自己寫一個簡易的操作系統(tǒng)，不啟動顯卡的各種圖形加速功能，CPU進(jìn)入保護模式后在GDT里映射一個4G的數(shù)據(jù)段，與物理地址一致，那么向000B8000上寫數(shù)據(jù)，就會像過去DOS一樣顯示在屏幕上，所以保護模式下也可以訪問這一段內(nèi)存。所以，保護模式下，也可以用它。

顯卡那么多顯存是怎么映射的？

再看截圖：

有很多內(nèi)存地址被映射給顯存了，就是通過這種映射關(guān)系，把一些物理地址留給顯存，使得CPU能像訪問內(nèi)存一樣訪問顯存資源。

當(dāng)然，實際情況是，2G顯存未必完全映射，而是只映射一部分地址，顯卡有一些開放的寄存器能夠控制哪部分顯存映射過來，這樣就能使得CPU在使用比較少的物理地址范圍的情況下，訪問全部的顯存。

還有一個很有意思的事情：在虛擬機里，找到映射的高地址部分的第一塊內(nèi)存區(qū)域，寫一個能直接訪問物理地址的程序（比如一個驅(qū)動），去讀這一塊內(nèi)存，然后寫到文件里，再用屏幕截圖，也寫到文件里，會發(fā)現(xiàn)截圖的內(nèi)容和顯存里讀出來的內(nèi)容基本上是一樣的。

網(wǎng)友awayisblue

要回答你的問題，我們需要要知道：

硬件是一種什么樣的存在

什么是驅(qū)動。

C語言怎么操作硬件我就不嚴(yán)格去定義這些概念了，我就以一個例子來通俗地講解一下吧。首先講硬件：

先介紹一款單片機芯片STM8。

這款芯片里面有cpu， 內(nèi)存，寄存器（先不要覺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應(yīng)的，寄存器是8位的內(nèi)存單元（對，存在于內(nèi)存上面），當(dāng)你往這個內(nèi)存單元里面寫入數(shù)據(jù)時，芯片的引腳的電壓會發(fā)生變化，比如說我寫入的是01100001，則芯片上與之對應(yīng)的8個引腳的電壓狀態(tài)（分為高電平與低電平兩種）會輸出：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。

接下來我們再來看另一個硬件，液晶顯示器LCD1602（對，我就是這么迷你）：

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芯片的引腳相連。該顯示器有自帶的內(nèi)存，用于存儲要顯示的字符，顯示器從該內(nèi)存里面讀取字符來來顯示。

單片機芯片與該顯示器相連后，可以通過引腳往該顯示器的內(nèi)存里寫數(shù)據(jù)（通過多個引腳電平的高低不同來代表不同的數(shù)據(jù)，比如說：低高高低低低低高 代表01100001，這個數(shù)據(jù)寫在顯示器的內(nèi)存里面，被顯示器所顯示，當(dāng)然，會根據(jù)ASCII來顯示數(shù)字對應(yīng)的字符，01100001對應(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（這個我們會在驅(qū)動那里介紹，繼續(xù)往下看）。

結(jié)論：單片機芯片與顯示器相連，可以通過引腳輸出的電平來控制顯示器的字符顯示。

那么，綜合上面，也就是說，單片機芯片cpu可以通過執(zhí)行指令來控制顯示器的字符顯示。

而這里，題主所說的硬件，指的就是這個顯示器了。

接下來講驅(qū)動：

那么，什么是驅(qū)動呢？驅(qū)動無非就是硬件跟軟件的中間層，但我們不糾結(jié)這種關(guān)系，直接來看一下，對于我們這個例子，驅(qū)動指的是什么。首先我們要知道：

顯示器支持很多種操作，比如說清除顯示，光標(biāo)移動，讀取數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)等等。

這些操作數(shù)據(jù)引腳和控制引腳來實現(xiàn)。

引腳可以通過單片機芯片來控制。

結(jié)論：我們可以通過在單片機芯片里面寫顯示器的“驅(qū)動”程序來屏蔽掉硬件（顯示器硬件）層。

于是這里驅(qū)動程序，指的是顯示器所支持操作的程序表示。比如說清除顯示，我們可以編寫一個clear（）函數(shù)，光標(biāo)移動，我們編寫一個move_cursor（）函數(shù)，讀取數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)分別為read（）和write（），然后分別實現(xiàn)就可以了（通過向寄存器里寫數(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，這個過程前面已有介紹）。這些函數(shù)就是驅(qū)動程序了。為什么上面說驅(qū)動程序可以屏蔽掉硬件呢？因為程序員可以使用前面的驅(qū)動程序來直接操作顯示器（硬件），而不用知道太多關(guān)于硬件的事情，而一般的驅(qū)動程序也可以由廠家來提供。

再說明一點：一般這些驅(qū)動程序可以用匯編寫（出于運行效率的考慮），也可以用C語言來編寫的，比如說我上面的例子，就可以直接用C語言來編寫。當(dāng)然C語言內(nèi)聯(lián)匯編的形式也可以。

最后講C語言怎么操作硬件：

相信到這里，C語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語言由CPU運行（實際上是先編譯成機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應(yīng)的，而寄存器是跟芯片的引腳相對應(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（比如說顯示器）有引腳（或者說排線，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。

可以把對某個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)動程序了。

于是我們的C語言只要去調(diào)用這個驅(qū)動程序就可以直接操作硬件了。（當(dāng)然驅(qū)動程序也可以由C語言來編寫，所以C語言操作硬件并不一定要經(jīng)過驅(qū)動程序）。

網(wǎng)友Chow Anod

北極已經(jīng)說的很到位了。我補充一些知識點：

1 語言層面上，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：

charp = 。..;p = 。..;

2 根據(jù)1反推，可以明白如果要開放給C來操作某個硬件，最直接的方案就是設(shè)計硬件的時候預(yù)先分配好一些固定的地址的用途，然后實際項目中往這些固定地址寫入合法的數(shù)據(jù)。這樣就可以通過類似uint32_tp = SCREEN_ADDR;p = RGBA（0xff，0xff，0xff，0xff）;這樣的代碼來實現(xiàn)對硬件的操作了。3 那這個地址怎么拿到呢？什么樣的數(shù)據(jù)才是合法的呢？要解答這些問題，就需要查閱具體設(shè)備的spec了。例如這個一眼看過去就能的明白的例子（一眼沒看明白請反復(fù)閱讀以完全理解上面第二點內(nèi)容）：

PS：x86架構(gòu)的代碼不能這么寫，原因見北極的回答。

網(wǎng)友北極

我們是用電腦的鍵盤來輸入的指令，每一個指令都對應(yīng)一個ASCII碼，而這里的ASCII碼就是有序的電壓的高低（或電流的有無，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，其實電腦也不知道它是什么，只知道這樣顯示。

結(jié)論：代碼其實就是存儲在存儲器（內(nèi)存、硬盤或者閃存等等）中有序的電壓的高低。

再說編譯：

編譯是一個有序的電壓的高低向另一種有序的電壓高低的一種轉(zhuǎn)換過程，下面以52單片機為例，我們編譯是從表示ASCII碼的那種有序電壓高低轉(zhuǎn)換為52單片機能夠識別的另一種規(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)果還是電腦中存儲的有序電壓高低。

到單片機燒錄：

接下倆就是燒錄，理解了上面兩點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數(shù)據(jù)線傳輸?shù)絾纹瑱C中的ROM中。

接下來ROM就可以釋放其中的電壓來控制外圍的電路。

總結(jié)：從代碼的編輯到最后對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：世界上沒有軟件，軟件只是對硬件的一種反映，就像意識是對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點，很開心，針對題目我再補充一點：

只要你提到0/1，提到軟件，這個問題就沒法理解。..因為軟件【包括0/1】和硬件始終存在一道無法跨越的鴻溝；

你說你在單片機中寫0，請問你是如何寫0的？在鍵盤上敲個0？實際還是電平【和我們理解的數(shù)字沒關(guān)系】，那個0只是你在電腦顯示器上電平的呈現(xiàn)形式，那個所謂的0【實質(zhì)是電平】可以傳輸?shù)絾纹瑱C中的ROM中，電平控制電平?jīng)]什么疑問吧，這樣就輸出低電平了。..