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要说一种植物,从种子发芽开始.要说计算机,从源头开始.

 

在1.X系列的文章中，我们从最开始的灯泡的例子开始，一步步深入，知道了CPU是怎么工作的，配合内存可以自动工作。

 

前面的内容基本上是CPU工作原理的完整轮廓了。

 

我们知道现在使用的各种形态的计算机除了CPU还有很多别的设备，这些所有的设备都不在CPU里面，都是外部设备，简称：外设。常见外设有：键盘，鼠标，屏幕，或者触摸屏......这些都是按照功能划分的。

 

我们关注的是计算机的工作原理，对外设的分类当然按照工作原理划分为：串口设备，USB设备，PCIE设备，网络设备等等。这些设备都是在一种通信设备的基础上实现不同的功能，这样外设和CPU就能联合工作了，我们看到鼠标和键盘都可以是USB设备，通过USB传送鼠标的移动和点击、键盘的按下按键。如果我们知道知道了一种通信方式，那不同设备，我们看起来就没那么多差别了，都是和CPU传输数据而已。

 

这就好比，马路上跑着各种汽车，这汽车，那汽车，看得人眼花缭乱。但是如果拆掉装饰和外壳，就能看清它们真实的汽车本质。都是在汽车（发动机+轮子）的基础上实现的不同功能。

 

所有的学习都要看清本质，化繁为简。（敲黑板，这是比特第二定律！还记得比特第一定律是什么？）

 

那让我们就从CPU和外设通信最基础最常用的串口开始吧。

 

要说串口就不得不提通信。

 

 

 

通信

 

通信是什么？

 

字面意思很好理解：就是可以把信从一个地方A送到另外的地方B，A和B送信的路是通的。通信的本意就是这样。

 

只不过随着技术发展，电报，电话，QQ，微信等替换了写信，人们还延续之前的叫法，其实人们并不关心用那种形式把信息从A传递到B，关心的是信息的内容。

 

计算机中的通信也是一样的，把信息从A传送到B（CPU到外设，或者外设到CPU，等等），并且也有很多种传送形式。

 

简单说说2种最基本的通信形式：并行和串行通信。

 

 

 

 

并行

 

你看这个名字取的那叫个形象阿。

 

并行是什么意思？并排行走。就是说从A到B要送8封信，就有8个邮递员每人拿1封信，并排行走在马路上，从A走到B。（思维敏捷的你是不是想说：那为什么不让一个邮递员拿8封信？不行，有很多理由：珍贵的易碎品必须专人护护送；信太重，一个人拿不动2封；从A到B要过一座桥，拿2个危险......总之就是不能，一人只能拿一封信）

 

这个并行送信有什么问题呢？很显然，8个人并排走比较占地方，需要路修的比较宽，修得窄就没法这样送。

 

并行通信在计算机中是这样：

CPU端有个寄存器，外设端也有个寄存器，并行通信就是两边的寄存器每一位都有导线连接，数据可以从CPU传送到外设，也可以从外设传送回来。

 

 

 

串行

 

再一次夸一下名字取的好。（很多时候我们可以通过名字理解一个事物的本质）

 

串行：排成一串行走。有了上面并行送信的例子，你应该已经知道什么是串行送信了。就是送信的邮递员走成一串（哈哈哈，好像走路叫一串，不太礼貌，意思到就好哈），这样就能解决并行送信需要很宽的路的问题。突然理解了当年上幼儿园的时候老师为什么让我们走成一串了，原来是因为校门太窄了阿（机智.gif）。

 

串行通信在计算机中是这样：

只用一根导线连接CPU端和外设端就可以让两边通信。

 

为什么画了一条斜线？这是为了便于理解：你可以把斜线想象成一条管道，数据通过管道流动，CPU端最下面的0最先进入管道，后面紧跟着1。流过管道，0最先出管道，掉到了外设端寄存器的最下面，接着1紧跟在后面。串行通信外设端接收到的数据和CPU端发送的数据是一样的。

 

不同于并行通信每个bit都有连线，串行通信只有一条连线，所有的数据要依次通过这条连线，顺序不能乱。

 

 

 

 

能双向传输吗？

 

能不能双向传输，这个问题同时存在于并行通信和串行通信，我们这里只讨论串行通信，并行通信原理是类似的。

 

我们先看看上图中的串行通信可以双向传输吗？如果把那一条连线看作管道，那水可以从CPU端流到外设端，也可以从外设端流到CPU端。这说明了可以双向传输。

 

那双向能同时传输吗？看起来不能，如果水往一边流就不能同时往另一边流。只能一边传送完了再从另一边传送，这种2端能互相传输数据，但是不能同时工作的通信有一个专有的名字：半双工通信（个人觉得这个名字取的不是很利于初学者理解）。

 

如果想让两边可以同时传输，那该怎么办？

 

计算机中用到的理论很多其实是很朴素的，就是生活中人们常用的处理方式。

 

我们认为通信的连线是管道，或者马路，看看管道和马路是怎样解决同时双向工作的？对了，马路是改成双向车道，增加了马路宽度；管道是增加一个反向传输的管道。

 

那么对于串行通信，也只要增加一条通路就可以了。一条通路从CPU端传输数据到外设端，另一条通路从设备端传输数据到CPU端。这种可以双向工作的通信也有一个专用的名字：全双工通信。

这就能同时双向传输数据了，两端都有专门用来发送数据的寄存器和专门用来接受数据的寄存器（图中箭头的方向从发送端指向接收端）

 

注意：CPU端发送寄存器连接外设端接收寄存器，CPU端接收寄存器连接外设端发送寄存器，是交叉的。

 

 

为了方便，我们给寄存器取个名字，发送寄存器叫：TX寄存器，接收寄存器叫：RX寄存器。

 

 

 

串口编程

 

要想利用编程控制串口发送或接收数据，我们只需要关心CPU端就好。

 

首先，回忆一下之前我们是如何编程的。

 

我们用不同的指令操作CPU内部寄存器，内存地址，或者直接操作数字。如何操作串口寄存器呢？

 

我们知道内存其实和寄存器的工作原理是差不多的，那串口寄存器的操作可否与内存用同样的方式操作？答案是肯定的，只要把串口寄存器加入内存地址编号，那就可以和访问内存一样访问串口寄存器了。

 

但是要注意的是，串口寄存器其实和内存是不一样的。对于串口寄存器TX，CPU只能将要发送的数据写入寄存器，数据就会被发送出去，不能读这个寄存器；对于RX寄存器，CPU只能读取该寄存器以获取外设传来的数据，不能写该寄存器。而内存的每个地址都可以写入和读取。这要在编程中注意。

 

我们简化一下CPU端的编程模型：

假设TX寄存器在内存地址24，RX寄存器在内存地址25。

如果我们要读取外设传来的数据，只要读取RX就可以了。用汇编语言编程：

•  

LDR R0 [25];

这样就把RX寄存器（地址25）中的数据读到R0了。

 

如何发送数据呢？

额，我们好像还没有写内存地址的指令，好吧，现在需要加一条写内存地址的指令STR。

 

有了STR指令，我们可以很轻松的把接收到R0的数据再通过TX寄存器（地址24）转发出去：

•  

STR R0 [24];

 

对外设的操作也是读写内存地址!

现在看起来操作CPU也不是很困难，就是操作寄存器和内存地址。

 

好了，串口的原理和编程就到这里。

----------我是比特,一个想把问题搞清楚的青年才俊----------

 

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