1.3 軟件控制硬件方法

作為一個嵌入式軟件開發人員，必須熟悉如何控制硬件。

首先從技術上要確定項目開發采用哪種CPU，這取決于項目人員的技術背景、產品、以前的經驗、技術特點等。一般公司會盡可能采用同一種CPU來開發不同產品，這樣可以最大可能節約成本，并且技術風險比較小。當確定了CPU后，研發人員就要研究CPU的相關文件、指令集和測試程序，這些都要在項目開始前完成。硬件IC的手機通常是PDF格式的，稱為DataSheet。CPU的DataSheet相當于一本厚厚的技術詞典，如S3C2440的DataSheet有596頁。如果要控制比較復雜的外部設備，通常還需要閱讀相應的手冊。因此在開發前，最好閱讀盡可能多的手冊。

以S3C2440 CPU為例，首先要通過了解S3C2440 CPU的框圖（如圖1.6所示）來了解這款CPU的大致部件。

由圖1.6 可以看出，這一款CPU具備的基本硬件包括內存、LCD、串行端口、電源等，這些也是嵌入式系統中最常見的幾項裝置。另外這款CPU還提供了許多的GPIO（General Purpose I/O，通用I/O接口）引腳，讓設計者可以根據自己的需求來控制這些外圍設備，這是一個很典型的做法。如果這些外圍還是不夠的話，就要自己加控制芯片，拉到地址線（Address Line）及總線（Bus Line）上，通過這些線來控制外圍，如SDRAM或Flash就是通過地址線與總線來存取數據的。

以下三個概念要分清楚：存儲器、I/O端口、寄存器。

寄存器是指CPU和外設內部的存儲單元，數量有限，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寄存器寬度是不一樣的。8位單片機表示地址線和數據為8位大小，寄存器寬度也是8位，在C程序中正好可以用一個char數據類型來操作。主流32位CPU的寄存器就是32位寬度，正好用一個32位，在程序中可以用一個unsigned int來操作，CPU的寄存器或地址位的寬度稱為WORD（字）。

通常說的存儲器都是獨立于CPU之外的，如內存、硬盤、光盤等。

CPU本身幾乎每一種外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行操作的。外設寄存器也稱為“I/O端口”，通常包括控制寄存器、狀態寄存器和數據寄存器三大類，而且一個外設的寄存器通常被連續編址。CPU對外設I/O端口物理地址的編址方式有兩種：一種是I/O映射方式（I/O-mapped），另一種是存儲空間映射方式（Memory-mapped）。而具體采用哪一種則取決于CPU的體系結構。有些體系結構的CPU（如PowerPC、M68k等）通常只實現一個物理地址空間（RAM）。在這種情況下，外設I/O端口的物理地址就被映射到CPU的單一物理地址空間中，成為存儲空間的一部分。此時，CPU可以像訪問一個內存單元那樣訪問外設I/O端口，而不需要設立專門的外設I/O指令。這就是所謂的“存儲空間映射方式”（Memory-mapped），ARM體系的CPU均采用這一模式。而另外一些體系結構的CPU（如X86）則為外設專門實現了一個單獨的地址空間，稱為“I/O地址空間”或“I/O端口空間”。這是一個與CPU的RAM物理地址空間不同的地址空間，所有外設的I/O端口均在這一空間中進行編址。CPU通過設立專門的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）來訪問這一空間中的地址單元（即I/O端口）。這就是所謂的“I/O映射方式”（I/O-mapped）。與RAM物理地址空間相比，I/O地址空間通常都比較小，如X86 CPU的I/O空間就只有64KB（0～0xffff），這是“I/O映射方式”的一個主要缺點，而且必須要專門的匯編語言才能處理。

Linux既在X86運行，也在ARM之類運行。為了簡化操作，Linux在所有CPU上都采用I/O端口概念。像ARM這樣的內存映射，也被模擬成端口。

在ARM下，所有外設的寄存器都被映射到一個4G空間，并且是有固定的映射地址（注意要與操作系統下的映射2G地址空間分開，那是操作系統給每個進程模擬的空間，I/O地址實際映射物理地址空間），如圖1.7所示為S3C2440的Nand/Nor空間映射圖。

所有S3C2440 寄存器地址映射在S3C2440 DataSheet中有詳細的描述，如表1.1所示為S3C2440內存控制器相關的寄存器地址設置。