1.3 软件控制硬件方法

作为一个嵌入式软件开发人员，必须熟悉如何控制硬件。

首先从技术上要确定项目开发采用哪种CPU，这取决于项目人员的技术背景、产品、以前的经验、技术特点等。一般公司会尽可能采用同一种CPU来开发不同产品，这样可以最大可能节约成本，并且技术风险比较小。当确定了CPU后，研发人员就要研究CPU的相关文件、指令集和测试程序，这些都要在项目开始前完成。硬件IC的手机通常是PDF格式的，称为DataSheet。CPU的DataSheet相当于一本厚厚的技术词典，如S3C2440的DataSheet有596页。如果要控制比较复杂的外部设备，通常还需要阅读相应的手册。因此在开发前，最好阅读尽可能多的手册。

以S3C2440 CPU为例，首先要通过了解S3C2440 CPU的框图（如图1.6所示）来了解这款CPU的大致部件。

图1.6 S3C2440 CPU框图

由图1.6 可以看出，这一款CPU具备的基本硬件包括内存、LCD、串行端口、电源等，这些也是嵌入式系统中最常见的几项装置。另外这款CPU还提供了许多的GPIO（General Purpose I/O，通用I/O接口）引脚，让设计者可以根据自己的需求来控制这些外围设备，这是一个很典型的做法。如果这些外围还是不够的话，就要自己加控制芯片，拉到地址线（Address Line）及总线（Bus Line）上，通过这些线来控制外围，如SDRAM或Flash就是通过地址线与总线来存取数据的。

以下三个概念要分清楚：存储器、I/O端口、寄存器。

寄存器是指CPU和外设内部的存储单元，数量有限，但速度快，分通用寄存器和特殊功能寄存器（如PC，SP等）。不同CPU寄存器宽度是不一样的。8位单片机表示地址线和数据为8位大小，寄存器宽度也是8位，在C程序中正好可以用一个char数据类型来操作。主流32位CPU的寄存器就是32位宽度，正好用一个32位，在程序中可以用一个unsigned int来操作，CPU的寄存器或地址位的宽度称为WORD（字）。

通常说的存储器都是独立于CPU之外的，如内存、硬盘、光盘等。

CPU本身几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行操作的。外设寄存器也称为“I/O端口”，通常包括控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类，而且一个外设的寄存器通常被连续编址。CPU对外设I/O端口物理地址的编址方式有两种：一种是I/O映射方式（I/O-mapped），另一种是存储空间映射方式（Memory-mapped）。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。有些体系结构的CPU（如PowerPC、M68k等）通常只实现一个物理地址空间（RAM）。在这种情况下，外设I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中，成为存储空间的一部分。此时，CPU可以像访问一个内存单元那样访问外设I/O端口，而不需要设立专门的外设I/O指令。这就是所谓的“存储空间映射方式”（Memory-mapped），ARM体系的CPU均采用这一模式。而另外一些体系结构的CPU（如X86）则为外设专门实现了一个单独的地址空间，称为“I/O地址空间”或“I/O端口空间”。这是一个与CPU的RAM物理地址空间不同的地址空间，所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）来访问这一空间中的地址单元（即I/O端口）。这就是所谓的“I/O映射方式”（I/O-mapped）。与RAM物理地址空间相比，I/O地址空间通常都比较小，如X86 CPU的I/O空间就只有64KB（0～0xffff），这是“I/O映射方式”的一个主要缺点，而且必须要专门的汇编语言才能处理。

Linux既在X86运行，也在ARM之类运行。为了简化操作，Linux在所有CPU上都采用I/O端口概念。像ARM这样的内存映射，也被模拟成端口。

在ARM下，所有外设的寄存器都被映射到一个4G空间，并且是有固定的映射地址（注意要与操作系统下的映射2G地址空间分开，那是操作系统给每个进程模拟的空间，I/O地址实际映射物理地址空间），如图1.7所示为S3C2440的Nand/Nor空间映射图。

图1.7 S3C2440的Nand/Nor空间映射图

所有S3C2440 寄存器地址映射在S3C2440 DataSheet中有详细的描述，如表1.1所示为S3C2440内存控制器相关的寄存器地址设置。

表1.1 S3C2440内存控制器相关的寄存器地址设置