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C语言是如何操作硬件的？三种主要方式详解

创作时间:

作者:

@小白创作中心

C语言是如何操作硬件的？三种主要方式详解

引用

来源

https://docs.pingcode.com/baike/994183

C语言操作硬件是嵌入式系统开发中的核心技能之一。本文将详细介绍C语言通过直接操作内存、使用硬件寄存器以及调用操作系统API三种方式来控制硬件设备。通过具体的代码示例和实践指导，帮助读者深入理解底层硬件操作的原理和方法。

一、直接操作内存

直接操作内存是C语言操作硬件的一种常见方式，特别是在嵌入式系统中。通过指针访问硬件设备映射的内存地址，程序员可以直接与硬件通信。

1、指针的使用

在C语言中，指针是访问内存地址的关键工具。指针变量存储内存地址，而不是实际的数据。通过指针，程序员可以访问和操作任意内存地址。这对于操作硬件设备非常重要，因为硬件设备通常映射到特定的内存地址。

例如，假设一个硬件寄存器映射到内存地址0x40000000，可以使用指针访问该地址：

volatile unsigned int *register_address = (unsigned int *)0x40000000;

*register_address = 0x12345678; // 写入数据到寄存器  
unsigned int value = *register_address; // 从寄存器读取数据

在这个例子中，我们定义了一个指向特定内存地址的指针，并通过该指针读写数据。

2、内存映射I/O

内存映射I/O（Memory-Mapped I/O, MMIO）是一种常见的硬件访问方式。在MMIO中，硬件设备的寄存器被映射到系统的内存地址空间。程序可以通过访问这些内存地址，直接控制硬件设备。MMIO使得硬件访问非常高效，因为访问内存地址通常比调用操作系统API要快得多。

例如，在嵌入式系统中，外设（如UART、SPI、I2C等）的寄存器通常被映射到特定的内存地址。程序员可以通过访问这些内存地址，直接控制外设的行为：

#define UART_BASE_ADDRESS 0x4000C000

#define UART_DR *((volatile unsigned int *)(UART_BASE_ADDRESS + 0x00)) // 数据寄存器  
#define UART_FR *((volatile unsigned int *)(UART_BASE_ADDRESS + 0x18)) // 标志寄存器  

void uart_send(char c) {  
    while (UART_FR & 0x20) {} // 等待发送FIFO为空  
    UART_DR = c; // 写入数据到数据寄存器  
}

在这个例子中，我们定义了UART外设的基地址和寄存器偏移，通过宏定义直接访问这些寄存器，实现发送数据的功能。

二、使用硬件寄存器

硬件寄存器是设备与处理器之间的接口，通过读写寄存器，程序员可以控制设备的行为。每个硬件设备都有自己的寄存器集，这些寄存器通常映射到特定的内存地址。

1、寄存器定义

硬件设备的寄存器通常通过结构体或宏定义来表示。这样可以提高代码的可读性和可维护性。以下是使用结构体定义寄存器的例子：

typedef struct {
    volatile unsigned int DR; // 数据寄存器  
    volatile unsigned int RSR_ECR;  
    unsigned int reserved[4];  
    volatile unsigned int FR; // 标志寄存器  
    // 其他寄存器...  
} UART_TypeDef;  

#define UART0 ((UART_TypeDef *)0x4000C000)  

void uart_send(char c) {  
    while (UART0->FR & 0x20) {} // 等待发送FIFO为空  
    UART0->DR = c; // 写入数据到数据寄存器  
}

在这个例子中，我们定义了一个表示UART寄存器的结构体，并通过宏定义将其地址映射到UART0基地址。通过访问结构体成员，我们可以读写UART的寄存器。

2、寄存器访问

通过结构体或宏定义寄存器后，程序员可以方便地访问和操作寄存器。例如，控制一个GPIO引脚的状态，可能需要操作多个寄存器：

typedef struct {
    volatile unsigned int MODER; // 模式寄存器  
    volatile unsigned int OTYPER; // 输出类型寄存器  
    volatile unsigned int OSPEEDR; // 输出速度寄存器  
    volatile unsigned int PUPDR; // 上拉/下拉寄存器  
    volatile unsigned int IDR; // 输入数据寄存器  
    volatile unsigned int ODR; // 输出数据寄存器  
    // 其他寄存器...  
} GPIO_TypeDef;  

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *)0x48000000)  

void gpio_set_pin_high() {  
    GPIOA->ODR |= (1 << 5); // 设置引脚5为高电平  
}  

void gpio_set_pin_low() {  
    GPIOA->ODR &= ~(1 << 5); // 设置引脚5为低电平  
}

在这个例子中，我们定义了一个表示GPIO寄存器的结构体，并通过宏定义将其地址映射到GPIOA基地址。通过访问结构体成员，我们可以控制GPIO引脚的状态。

三、调用操作系统API

在某些情况下，直接操作硬件可能不太方便或不安全。操作系统提供了一些API，使程序员可以通过更高层次的抽象来访问硬件资源。这些API通常封装了底层的硬件操作，使得编程更加简单和安全。

1、操作系统抽象

操作系统API提供了一层抽象，使程序能够在不直接操作硬件的情况下访问硬件资源。例如，在Linux操作系统中，设备通常通过文件系统表示，程序员可以通过文件I/O操作访问设备：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>  
#include <unistd.h>  

void read_device() {  
    int fd = open("/dev/some_device", O_RDONLY);  
    if (fd == -1) {  
        perror("open");  
        return;  
    }  
    char buffer[128];  
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));  
    if (bytes_read == -1) {  
        perror("read");  
    } else {  
        printf("Read %zd bytes: %sn", bytes_read, buffer);  
    }  
    close(fd);  
}

在这个例子中，我们通过打开设备文件/dev/some_device，读取设备数据并打印出来。这种方式使得设备访问更加简单和安全，因为操作系统负责管理底层的硬件细节。

2、驱动程序

操作系统通过驱动程序（Driver）来管理硬件设备。驱动程序是操作系统和硬件之间的桥梁，它封装了硬件操作，并提供标准的接口供应用程序使用。应用程序通过操作系统提供的API与驱动程序通信，驱动程序则负责与硬件设备直接交互。

例如，在Windows操作系统中，可以使用Win32 API来访问硬件设备：

#include <windows.h>
#include <stdio.h>  

void read_device() {  
    HANDLE hDevice = CreateFile("\\.\SomeDevice", GENERIC_READ, 0, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL);  
    if (hDevice == INVALID_HANDLE_VALUE) {  
        printf("Failed to open device: %lun", GetLastError());  
        return;  
    }  
    char buffer[128];  
    DWORD bytesRead;  
    BOOL result = ReadFile(hDevice, buffer, sizeof(buffer), &bytesRead, NULL);  
    if (!result) {  
        printf("Failed to read from device: %lun", GetLastError());  
    } else {  
        printf("Read %lu bytes: %sn", bytesRead, buffer);  
    }  
    CloseHandle(hDevice);  
}

在这个例子中，我们通过Win32 API打开设备文件\\.SomeDevice，读取设备数据并打印出来。驱动程序负责管理设备的底层操作，应用程序只需使用操作系统提供的API即可访问设备。