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C语言调用硬件的四种方法详解

创作时间:

作者:

@小白创作中心

C语言调用硬件的四种方法详解

引用

来源

https://docs.pingcode.com/baike/951021

C语言调用硬件是嵌入式系统和底层开发中的重要技能。本文将详细介绍通过内存映射I/O、端口I/O、操作系统API和直接操作寄存器等方法在C语言中调用硬件，并提供具体代码示例来帮助理解。

一、内存映射I/O

内存映射I/O是一种通过将I/O设备的地址映射到内存地址空间，从而使得对这些地址的访问等同于对内存的访问的技术。这样程序员可以通过指针操作直接访问硬件设备。

1.1 基本概念

内存映射I/O的核心是将设备寄存器映射到系统内存地址空间。通过这种方式，CPU可以像访问内存一样访问I/O设备。以下是一些关键概念：

物理地址：硬件设备的实际地址。
虚拟地址：操作系统提供的映射地址。

1.2 示例代码

下面是一个简单的例子，展示了如何使用内存映射I/O在Linux系统中读取一个设备寄存器的值：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

#define BASE_ADDRESS 0x40000000  // 设备基地址
#define OFFSET 0x00000010        // 寄存器偏移地址
#define PAGE_SIZE 4096           // 页大小

int main() {
    int fd;
    void *map_base, *virt_addr;
    unsigned long read_result;

    // 打开内存设备文件
    if ((fd = open("/dev/mem", O_RDONLY | O_SYNC)) == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    // 映射设备内存到虚拟地址空间
    map_base = mmap(0, PAGE_SIZE, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, BASE_ADDRESS & ~(PAGE_SIZE - 1));
    if (map_base == (void *) -1) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        exit(1);
    }

    // 计算设备寄存器的虚拟地址
    virt_addr = map_base + (BASE_ADDRESS & (PAGE_SIZE - 1)) + OFFSET;

    // 读取寄存器的值
    read_result = *((unsigned long *) virt_addr);
    printf("Value at address 0x%X: 0x%lX\n", BASE_ADDRESS + OFFSET, read_result);

    // 解除内存映射
    if (munmap(map_base, PAGE_SIZE) == -1) {
        perror("munmap");
        close(fd);
        exit(1);
    }

    // 关闭文件描述符
    close(fd);
    return 0;
}

在这个例子中，我们使用/dev/mem设备文件来访问物理内存，并通过mmap函数将物理地址映射到虚拟地址空间，然后通过指针操作访问设备寄存器的值。

二、通过端口I/O

端口I/O是一种通过专用的I/O指令访问硬件设备的技术。这种方法通常用于传统的x86架构。

2.1 基本概念

端口I/O使用专用的I/O指令in和out来读写设备寄存器。每个设备寄存器都有一个唯一的端口地址，通过这些地址可以直接访问设备。

2.2 示例代码

下面是一个示例，展示了如何使用端口I/O在x86系统中读取一个设备寄存器的值：

#include <stdio.h>
#include <sys/io.h>

#define PORT_ADDRESS 0x3F8  // 设备端口地址

int main() {
    unsigned char data;

    // 获取I/O端口访问权限
    if (ioperm(PORT_ADDRESS, 1, 1)) {
        perror("ioperm");
        return 1;
    }

    // 读取设备寄存器的值
    data = inb(PORT_ADDRESS);
    printf("Value at port 0x%X: 0x%X\n", PORT_ADDRESS, data);

    // 释放I/O端口访问权限
    if (ioperm(PORT_ADDRESS, 1, 0)) {
        perror("ioperm");
        return 1;
    }
    return 0;
}

在这个例子中，我们使用ioperm函数获取对I/O端口的访问权限，然后使用inb函数读取设备寄存器的值。最后，我们释放对I/O端口的访问权限。

三、利用操作系统API

大多数现代操作系统提供了一套API，用于访问和控制硬件设备。这些API通常封装了底层的内存映射I/O和端口I/O操作，使得程序员可以通过高级接口来访问硬件。

3.1 基本概念

操作系统API提供了一种抽象层，使得程序员可以通过函数调用来访问硬件设备，而不需要直接操作寄存器或端口地址。常见的API包括Windows的WinAPI、Linux的sysfs等。

3.2 示例代码

下面是一个示例，展示了如何使用Windows的WinAPI来访问硬件设备：

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

#define DEVICE_PATH "\\.\PhysicalDrive0"  // 设备路径

int main() {
    HANDLE hDevice;
    DWORD bytesReturned;
    STORAGE_PROPERTY_QUERY query;
    BYTE buffer[1024];

    // 打开设备
    hDevice = CreateFileA(DEVICE_PATH, GENERIC_READ, FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL);
    if (hDevice == INVALID_HANDLE_VALUE) {
        printf("Error opening device: %d\n", GetLastError());
        return 1;
    }

    // 初始化查询结构
    query.PropertyId = StorageDeviceProperty;
    query.QueryType = PropertyStandardQuery;

    // 发送查询请求
    if (!DeviceIoControl(hDevice, IOCTL_STORAGE_QUERY_PROPERTY, &query, sizeof(query), &buffer, sizeof(buffer), &bytesReturned, NULL)) {
        printf("Error querying device: %d\n", GetLastError());
        CloseHandle(hDevice);
        return 1;
    }

    // 处理查询结果
    STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR *descriptor = (STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR *) buffer;
    printf("Device Type: %d\n", descriptor->DeviceType);
    printf("Vendor ID: %s\n", buffer + descriptor->VendorIdOffset);
    printf("Product ID: %s\n", buffer + descriptor->ProductIdOffset);

    // 关闭设备
    CloseHandle(hDevice);
    return 0;
}

在这个例子中，我们使用CreateFileA函数打开设备，然后使用DeviceIoControl函数发送查询请求，并处理查询结果。

四、直接操作寄存器

在嵌入式系统中，通常需要直接操作硬件寄存器来控制设备。C语言提供了一种直接操作寄存器的方法，通过定义寄存器地址和使用指针操作来实现。

4.1 基本概念

直接操作寄存器需要了解硬件设备的寄存器地址和功能。程序员可以通过读取设备手册或数据表来获取这些信息。

4.2 示例代码

下面是一个示例，展示了如何在嵌入式系统中直接操作寄存器来控制一个GPIO引脚：

#include <stdint.h>

#define GPIO_BASE 0x50000000  // GPIO基地址
#define GPIO_PIN  5           // GPIO引脚编号

volatile uint32_t *GPIO_DIR = (volatile uint32_t *)(GPIO_BASE + 0x00);  // GPIO方向寄存器
volatile uint32_t *GPIO_DATA = (volatile uint32_t *)(GPIO_BASE + 0x04); // GPIO数据寄存器

int main() {
    // 设置GPIO引脚为输出
    *GPIO_DIR |= (1 << GPIO_PIN);

    // 设置GPIO引脚为高电平
    *GPIO_DATA |= (1 << GPIO_PIN);

    // 延时
    for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++);

    // 设置GPIO引脚为低电平
    *GPIO_DATA &= ~(1 << GPIO_PIN);
    return 0;
}

在这个例子中，我们定义了GPIO基地址和寄存器地址，并使用指针操作来设置GPIO引脚的方向和状态。