程序如何与硬件设备一起工作答案

【问题标题】：How to a program works with hardware device程序如何与硬件设备一起工作
【发布时间】：2018-09-27 15:23:34
【问题描述】：

我想知道程序如何与硬件设备一起工作。我想了解不深入的基础知识。

所有编程代码都有以下内容。

int、float、short 等变量。
函数和函数调用
if else 之类的语句
计算
for 循环等循环

我想当我们将程序下载到硬件时，数据会进入编程存储器 (ROM)。当我们运行程序时，上面提到的所有东西都进入 RAM 还是只进入特定区域，如函数数据？

当我们考虑 8bit 总线时，如何处理超过 8bit 的数据，比如 10bit char，因为总线很小？

什么是堆栈以及如何使用它进行编程？

为什么void main 功能很重要？如何硬件识别？

请告诉我如何使用硬件进行编程。

【问题讨论】：

你所有的问题都依赖于硬件设备，需要很多大书才能详细解答。硬件设备几乎涵盖了所有内容，包括无法通过传统方式编程的设备、具有 32 位总线的设备、没有任何总线的设备，以及完全模拟的设备。您有更具体的硬件设备吗？
没有特定的硬件设备我一般问这个问题并得到一个基本的想法。如果您愿意，我可以考虑使用 PIC 单片机设备，例如 PIC16F887 IC

标签： process hardware

【解决方案1】：

你有很多问题。首先，让我们假设一个简单的情况，比如 Arduino，它是软件和硬件的组合。软件部分从您编写一些简单的 C++ 代码开始，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（集成开发环境）做了一些事情（在后台，比如添加一个 main() 来调用 setup() 函数一次，循环（）函数重复）将 C++ 转换为汇编代码，它可能看起来像这样（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

汇编程序将代码转换为十六进制格式信息，程序员可以将其放入 Atmega328P 微控制器的 ROM 中。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 个字节的数据，以及一个校验和，以确保数据在处理时没有损坏：

000100005673495a6b4f5e205673495a6b4f5e24465

这不是真实数据。 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 个可能是通过以某种方式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，则将其刻录到内存中。

可以通过多种方式将十六进制代码放入 ROM - 程序员可以控制芯片并将代码直接放入内存，复位后芯片将运行代码；或者引导加载程序可以复位后从芯片上的 ROM 区域运行，它会通过串行线（Rx，Tx）与 PC 通信以接收数据，然后将其写入 ROM 的不同区域。如果引导加载代码没有检测到 PC 试图与其通信，它将跳转到代码开始的 ROM 地址并从那里运行。

8 位微控制器可能有一些 16 位寄存器，可用于捕获 ADC 转换的结果，或者将结果存储为两个 8 位字节，包含高位和低位数据。

堆栈可能是专用的硬件寄存器，也可能是 SRAM 的一个区域，用于保存诸如数学运算结果之类的东西。代码负责将内容放入堆栈并读回，您通常不会处理它的编程。对于 '328P，有 2048 字节的 SRAM，因此您只需要确保没有在代码中声明太多变量（如 byte ledPin = 13;），这些变量都用完了并且没有留下空间对于代码。通常，例如在 328Ps 中，这是由于尝试访问超出其限制的数组而引起的，因此要么返回无意义的结果，要么在写入超过数组末尾的内容覆盖其他内容时导致程序崩溃。 C++的灵活性很好，但稍不注意也会让你陷入困境。

【讨论】：

【解决方案2】：

正如@nos 所说，需要大量书籍来解释它。

在代码和硬件之间缺少的是编译器。它的作用是将您的代码（C、C++ 或任何语言）翻译成汇编。汇编大致是一组 CPU 或微控制器能够理解的非常底层的指令。

当程序翻译成汇编时，它被上传到内存中。根据架构的不同，它进入通用存储器（冯诺依曼）或程序存储器（与哈佛架构的数据存储器相对）。

当谈到堆栈时，你也有指针。指针指向（是的，指向的指针，真棒啊）堆栈的“级别”。例如，您有指向当前指令的“当前”指针。一旦当前指令完成，指针就会递增，因此指向下一级。当您调用子函数并指向您停止父函数的级别时，将使用另一个指针。一个子功能完成了，你回到你停止的地方。

这些指针存储在寄存器中，这些寄存器是芯片中的小（且快速）存储器。

来到 main 函数，硬件在编译时并没有从字面上识别它。对于硬件，只有一个程序可以执行（即主程序）并调用子函数（即主程序中使用的函数）。

所以.. 当你编写一些代码时，让我们说在 C 中：

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

main 的内容被翻译成汇编，是你的“正常”程序。首先，它将 0 放入寄存器的单元格中。然后它暂停执行 printf（它使用我们保存 0 的单元格中的值）并保存它在指针中停止的位置。完成后，当前指针取回我们保存的指针的值并继续。

关于内存中的内容：您有不同级别的内存。磁盘，硬盘或固态，速度慢但又大又便宜。 Ram，更快但更昂贵且更小。缓存，内置在 CPU 中，速度非常快，体积更小，价格也更贵。寄存器，也是内置的，更快但更小。当 CPU 使用一个变量时，它进入寄存器。但是现代 CPU 会“猜测”（也称为预取）在不久的将来可能需要什么变量（例如，您读取表的前两个单元格，它可能会在您询问之前加载第三个单元格），并将其放入缓存中。否则，它在 ram 中。

希望对您有所帮助，可能会有一些捷径或不准确之处，但大致就是这样。同样，很难用几行总结数百页。

【讨论】：