程序如何与硬件设备一起工作

Question

我想知道一个程序如何与硬件设备一起工作。我想知道基本知识，而不是深层次的。

所有的编程代码都有以下内容。

• 变量，如int、float、short等。
• 函数和函数调用
• 语句，如
• 计算
• 循环，如for循环，等等

我想当我们程序下载到硬件，数据去编程内存(ROM)。当我们运行程序以上提到的事情，去RAM还是它去特定的领域，如功能数据？

当我们考虑8位总线时，如何像10位字符这样的8位以上的数据，因为总线很小？

什么是Stack，以及如何使用它编程？

为什么void main功能是重要的？硬件是如何识别的？

请给我一些硬件程序的基本概念。

Answer 1

你有很多问题要问。首先，让我们假设一个简单的情况，比如Arduino，它是软件和硬件的结合。软件部分首先编写一些简单的C++代码，例如：

byte ledPin = 13;
void setup(){
pinMode (ledPin, OUTPUT);
}
void loop(){
digitalWrite (ledPin, HIGH);
digitalWrite (ledPin, LOW);
}

接下来，您将编译代码。Arduino IDE ()做了一些工作(在后台，比如添加一个main()，它将调用setup()函数一次，循环()函数重复)将该C++转换为程序集代码，这些代码可能如下所示(而不是上面的实际输出)：

; Define pull-ups and set outputs high
; Define directions for port pins
ldi r16,(1<<PB7)|(1<<PB6)|(1<<PB1)|(1<<PB0)
ldi r17,(1<<DDB3)|(1<<DDB2)|(1<<DDB1)|(1<<DDB0)
out PORTB,r16
out DDRB,r17
; Insert nop for synchronization
nop
; Read port pins
in r16,PINB

汇编程序，而不是接受该代码，并将其转化为十六进制格式的信息，程序员可以放在ROM上的Atmega328P微控制器。基本上，文件中的数据行(每行包含一行的起始地址，可能是16字节的数据)和校验和(以确保数据在处理过程中不会损坏)：

000100005673495a6b4f5e205673495a6b4f5e24465

这不是真实的数据。0001000可能是ROM中的起始地址，接下来的32个字符是要编程的16个字节的数据，最后4个可能是通过操作数据创建的校验和。程序员接收数据，执行相同的操作，如果校验和正确，则将其烧入内存。

十六进制代码可以通过两种方式放入ROM --程序员可以控制芯片并将代码直接放入内存，复位后芯片只运行代码；复位后，引导加载程序可以从芯片上的ROM区域运行，并通过串行线路(Rx、Tx)与PC对话，接收数据，然后将数据写入ROM的不同区域。如果引导代码没有检测到试图与其对话的PC，它将跳转到该代码开始运行的ROM地址。

8位微控制器可能有大约16位寄存器，它可以用于捕获ADC转换的结果，或者将结果存储为两个8位字节，具有高和低的数据。

Stack可能是专用的硬件寄存器，也可能是SRAM的一个区域，用于保存类似数学操作的结果。代码负责将内容放到堆栈上并将其读取回来，通常不会处理编程问题。对于‘328 p，有2048字节的SRAM，所以您只需要确保没有太多的变量在代码中声明(比如字节ledPin = 13;)，这些变量使用了所有这些变量，并且没有为代码留出空间。例如，在328 is中，这通常是由于尝试访问超出限制的数组而导致的，所以要么返回无稽之谈的结果，要么在写过数组结束时会导致程序崩溃。C++的灵活性很好，但是如果不小心的话，它也会让你陷入麻烦。

Answer 2

正如@nos所说，要解释这个问题需要大量书籍。

在代码和硬件之间遗漏的是编译器。它的作用是将代码(C、C++或其他语言)转换为程序集。汇编大概是CPU或微控制器理解的非常低级别的一组指令。

当程序被翻译到程序集时，它被上传到内存中。根据体系结构的不同，它属于一般内存(Von )或程序内存(与哈佛体系结构中的数据内存相反)。

在讨论堆栈时，您也有指针。指针指向堆栈的一个“级别”(是的，指的是一个指针，呵呵)。例如，您有指向当前指令的“当前”指针。一旦完成当前指令，指针就会增加，因此指向下一个级别。当您调用子函数并指向停止父函数的级别时，将使用另一个指针。一个子函数完成了，你就回到你停止的地方。

这些指针存储在寄存器中，寄存器是芯片中的小内存(且速度快)。

在主要功能方面，硬件在编译时并没有对其进行识别。对于硬件，只需要执行一个程序(即主程序)，调用子函数(即main中使用的函数)。

所以..。当您编写一些代码时，让我们用C来表示：

int main ()
{
    int a = 0;
    printf("a = %d", a);
    return 0;
}

main的内容被翻译成程序集，是您的“正常”程序。首先，它将0放在寄存器的一个单元格中。然后将其搁置以执行printf (它使用我们保存0的单元格中的值)，并将其保存在指针中停止的位置。完成后，当前指针将取回保存的指针的值并继续。

关于公羊里的东西:你有不同程度的记忆。磁盘，硬态或固态，缓慢但大而便宜。拉姆，更快，但更明快，更小。高速缓存，内置于CPU中，速度非常快，体积更小，成本更高。寄存器，也内置，甚至更快，但更小。当CPU使用一个变量时，它会进入寄存器中。但是，现代CPU“猜测”(也称为预取)在不久的将来可能需要哪些变量(例如，您读取表的两个第一个单元格，它可能会在询问之前加载第三个单元格)，并将其放入缓存中。否则，它是在拉姆。

希望这会有所帮助，可能会有一些捷径或不准确之处，但这大概就是它的工作原理。同样，很难用几行来概括上百页。