2020年03月11日 | 开发板学习Day7-第一个ARM裸板程序及引申

今天我们来写第一个ARM裸板程序-点亮LED 

我们怎样去点亮一个LED呢？ 共分为三步 。

看原理图，确定控制LED的引脚;

看主芯片的芯片手册，确定如何设置控制这个引脚;

写具体的程序来实现;

第001节：硬件知识-LED原理图

点亮LED需要通电源，同时为了保护LED，加个电阻减小电流。 控制LED灯的亮灭，可以手动开关LED，但在电子系统中，不可能让人来控制开关，而是通过编程，利用芯片的引脚去控制开关。 +

如图所示： 

LED的驱动方式，常见的有四种：

方式1：使用引脚输出3.3V点亮LED，输出0V熄灭LED。 

方式2：使用引脚拉低到0V点亮LED，输出3.3V熄灭LED。

有的芯片为了省电等原因，其引脚驱动能力不足，这时可以使用三极管驱动。 

方式3：使用引脚输出1.2V点亮LED，输出0V熄灭LED。 

方式4：使用引脚输出0V点亮LED，输出1.2V熄灭LED。

由此，主芯片引脚输出高电平/低电平，即可改变LED状态，而无需关注GPIO引脚输出的是3.3V还是1.2V。 所以简称输出1或0：

逻辑1–>高电平

逻辑0–>低电平

第002节：硬件知识-S3C2440启动流程与GPIO操作

查看原理图： 

由图明显可以看出当引脚nLED 1/2/4 输出为低电平时，二极管导通发光。（n表示低电平有效） 

在原理图中，同名的Net表示是连在一起的。 因此我们要找到nLED 1同名net. 

由图可知，三个LED灯nLED 1/2/4 分别连接GPF 4/5/6

查看S3C2440芯片手册： 

由图可知，GPF输入输出端口共有8组端口，若以nLED_1为例，那我们要操作的就是第四组（即GPF4）。

怎么样令GPF4输出1或0? 

1. 配置为输出引脚； 

2. 设置状态；

首先查看芯片手册：找到GPF的配置寄存器GPFCON。 

由图可知， 

设置GPFCON[9:8]=0b01,即将GPF4配置为输出； 

设置GPFDAT[4]=1或者0，即输出高电平或低电平；

S3C2440框架： 

S3C2440启动流程：

- Nor启动： 

Nor Flash的基地址为0，片内RAM地址为0x4000 0000; 

CPU读出Nor上第1个指令（前4字节），然后执行； 

CPU继续读出其它指令执行。

- Nand启动： 

片内4k RAM基地址为0，Nor Flash不可访问； 

2440硬件把Nand前4K内容复制到片内的RAM，然后CPU从0地址取出第1条指令执行。

第003节：编写第1个程序点亮LED

在开始写第1个程序前，先了解一些概念。 

2440是一个SOC，它里面的CPU有R1、R2、R3……等 寄存器（可以直接通过寄存器名字来访问）； 

它里面的GPIO控制器也有很多寄存器，如 GPFCON、GPFDAT。 （需要通过地址访问） 

这两个寄存器是有差异的，在写代码的时候，CPU里面的寄存器可以直接访问，其它的寄存器要以地址进行访问。

然后我们根据芯片手册中的信息可知GPFCON寄存器的地址。

把GPF4配置为输出，需要把GPFCON的第9位和第8位为0b01,即将01 0000 0000=256=0x100写入GPFCON这个寄存器，而这个寄存器只能通过地址来访问，即写到0x5600 0050上；

把GPF4输出1，需要把GPFDAT第4位，即0x10写到GPFDAT寄存器中，GPFDAT寄存器也只能通过地址来访问，其地址为0x5600 0054上； 把GPF4输出0，需要把0x00写到地址0x5600 0054上； 这里的写法会破坏寄存器的其它位，其它位是控制其它引脚的，为了让第一个裸板程序尽可能的简单，才简单粗暴的这样处理。

写程序需要用到几条汇编代码：

①LDR (load):读寄存器 

举例：LDR R0,[R1] 

假设R1的值是x，读取以x为首地址的4个连续内存单元的数据（4字节），保存到R0中；

②STR (store):写寄存器 

举例：STR R0,[R1] 

假设R1的值是x，把R0的值写到以x为首地址的4个连续内存单元（4字节）；

③B 跳转

④MOV (move)移动，赋值 举例1：MOV R0,R1 把R1的值赋值给R0; 

举例2：MOV R0,#0x100 把0x100赋值给R0,即R0=0x100;

⑤LDR 

举例：LDR R0,=0x12345678 这是一条伪指令，即实际中并不存在这个指令，他会被拆分成几个真正的ARM指令，实现一样的效果。 最后结果是R0=0x12345678。

为什么会引入伪指令？

在ARM的32位指令中，有些字节表示指令，有些字节表示数据，因此表示数据的没有32位，不能表示一个32位的任意值，只能表示一个较小的简单值，这个简单值称为立即数。引入伪指令后，利用LDR可以为R0赋任意大小值，编译器会自动拆分成真正的的指令，实现目的。 

有了前面5个汇编指令的基础，我们就可以写代码了。

第一个程序只能是汇编，以前你们可能写过单片机程序，一上来就写main()函数，那是编译器帮你封装好了。

因此，我们写除了第一个控制led1亮的程序：

/*点亮led1*/

.text

.global _start

_start：

/*将GPF4设置为输出端口：将GPFCON配置寄存器中的第9、8位设为0、1即可，即把0x100送入

GPFCON寄存器的地址

0x56000050中*/

ldr r0,0x56000050

ldr r1,0x100

str r1,[r0]

/*将GPF4输出状态设置为输出低电平0：将GPFDAT寄存器第4位设置输出为低电平0，也就是将

0x00送入GPFDAT寄存器的地址0向6000054中去*/

ldr r0,0x56000054

ldr r1,0x00

str r1,[r0]

/*由于我们不知道在程序代码执行完毕之后，NOR FLASH或NAND FLASH的内容未知，

所以要执行死循环halt*/

halt:

    b halt

将代码上传到服务器, 先编译：

arm-linux-gcc -c -o led_on.o led_on.s ；

再链接：

arm-linux-ld -Ttext 0 led_on.o -o led_on.elf ；

生成bin文件：

arm-linux-objcopy -O binary -S led_on.elf led_on.bin ；

以上的命令，要是我们每次都输入会容易输错，因此我们把他们写到一个文件里，这个文件就叫Makefile. 本次所需的Makefile如下：

all:

    arm-linux-gcc -c -o led_on.o led_on.S

    arm-linux-ld -Ttext 0 led_on.o -o led_on.elf

    arm-linux-objcopy -O binary -S led_on.elf led_on.bin

clean:

    rm *.bin *.o *.elf

以后只需要 使用 make 命令进行编译， make clean 命令进行清理。 

最后烧写到开发板上，即可看到只有一个LED亮，符合我们预期。 

第004节_汇编与机器码

前面介绍过伪指令，伪指令是实际不存在的ARM命令，编译器在编译时转换成存在的ARM指令。 

我们可以通过反汇编来查看在实际执行过程中的汇编指令。

在前面的Makefile中加上：

arm-linux-objdump -D led_on.elf > led_on.dis

上传服务器，编译。

生成的led_on.dis就是反汇编文件。led_on.dis如下： 

结合我们的程序代码来分析一下：图中第一列为地址，第二列为机器码、第三列为汇编代码。

ldr r0,0x56000050

ldr r1,0x100

str r1,[r0]

/***************/

ldr r0,0x56000054

ldr r1,0x00

str r1,[r0]

为了便于分析，我们先来认识一下CPU内部的寄存器： 

cpu内部共有16个寄存器，其中我们经常用到的有三个：R13R14R15.

R13: 又名sp,即Stack Pointer,栈指针，保存的始终是栈顶的地址 

R14: 又名lr, 即Link Register,保存的是返回地址，用于保护断点和现场。 

R15：又名pc,即Program Pointer,保存的是cpu将要执行的下一条指令的地址。由于CPU执行的流水线工作方式，也就是说为了提高cpu执行指令的效率，在CPU执行‘存放在地址A处的指令’的同时，CPU还会对下一条指令（存放在地址为A+4的指令）进行译码，并将之后的第二条指令（存放在地址为A+8的指令）的地址（也就是A+8）送入PC中。

首先我们对反汇编后的第一条代码进行解析：将以pc+20为首地址的四个字节的数据送到R0寄存器中。对于第一条指令，它的地址为0，所以pc=0+8=8,那么pc+20=28=0x1c,反汇编程序的下半部分就是即为对应地址中的数据，所以显然0x1c处的数据为0x56000050,那么这条指令执行完，R0的值就变成了0x56000050.第一条指令的功能就是将GPFCON的地址送入寄存器R0中。

我们接着对第二条指令进行解析：第二条指令将伪指令ldr转换成了mov指令，其功能为将立即数256,也就是0x100送入了寄存器R1中.

第三条指令：由于R0=0x56000050,R1=0x100,第三条指令就是把0x100送入以0x56000050为首地址的四个字节中。就是将GPFCON寄存器的值设为0x100,这样GPF4就被设置成了输出端口。

第四条指令：由于其地址为c,所以，pc=c+8=0x14,则pc+12=0x20。因此此指令便将首地址为0x20的四个字节的数据放入寄存器R0中。所以指令执行后R0的值为0x56000054.

第五条指令：将立即数0x00放入寄存器R1中。

第六条指令：R0=0x00,R1=0x56000054,所以此指令便将0x00放入以0x56000054为首地址的四个字节中，也就是GPFDAT寄存器中。

分析完汇编指令，我们完成一个作业：通过修改汇编代码来点亮led2。 

通过查看芯片手册，我们知道要想点亮led2，首先需要将GPFCON寄存器中的第11、10位设置为01，GPFCON寄存器设置为0x400；然后，经GPFDAT寄存器内容设置为0x00。代码如下：

/*点亮led1*/

.text

.global _start

_start

/*将GPF5设置为输出端口：将GPFCON配置寄存器中的第11、10位设为0、1即可，

即把0x400送入GPFCON寄存器的地址0x56000050中*/

ldr r0,0x56000050

ldr r1,0x140

str r1,[r0]

/*将GPF4输出状态设置为输出低电平0：将GPFDAT寄存器第5位设置输出为低电平0，

也就是将0x00送入GPFDAT寄存器的地址0向6000054中去*/

ldr r0,0x56000054

ldr r1,0x00

str r1,[r0]

/*由于我们不知道在程序代码执行完毕之后，NOR FLASH或NAND FLASH的内容

未知，所以要执行死循环halt*/

halt:

    b halt

接下来解析一下机器码： 

上图是四字节机器码的格式，我们先不管其他的只看低16位： 

Rd表示的寄存器，4位可以表示16个寄存器； 

Shift_operand表示操作数，其中12位中的高4位表示rotate_4位，低8位表示immed_8位。表示的立即数为immed_8右移2*rotate_4位后的数值。 

如图：第一行机器代码为e5 9f 00 14,其中Rd=0,所以寄存器为R0；rotate_4为0，14表示源操作数中的立即数为0x14,所以立即数为0x14右移2*rotate_4位，结果还是0x14,十进制为20。

第二行中的机器代码为e3 a0 1c 01；其中Rd=1,所以寄存器为R1；rotate_4为c;immed_8为01；所以立即数为0x01右移2*rotate=24位，结果为0x100。

分析完机器代码，我们来修改一下机器代码来修改程序点亮led2: 

将第二行机器代码中的0x100修改为0x400；也就是将rotate_4由c改为b即可。因为0x100要由0x01右移24位，而0x400由0x10右移22位。 

第005节编程知识进制（略）

第006节编程知识字节序_位操作

字节序： 

假设int a = 0x12345678； 

前面说了16进制每位是4个字节，在内存中，是以8个字节作为1byte进行存储的，因此0x12345678中每两位作为1byte,其中0x78是低位，0x12是高位。 

在内存中的存储方式有两种： 

0x12345678的低位（0x78）存在低地址，即方式1，叫做小字节序(Little endian)； 

0x12345678的高位（0x12）存在低地址，即方式2，叫做大字节序(Big endian)； 

一般的arm芯片都是小字节序，对于2440可以设置某个寄存器，让整个系统使用大字节序或小字节序，它默认使用小字节序。

置位- 把a的bit7、8置位（变为1） 

int a = 0x123; int b = a|(1<<7)|(1<

清位 -把a的bit7、8清位（变为0） 

int a = 0x123; int b = (a& ~(1<<7))&(~(1<

置位和清位在后面寄存器的操作中，会经常使用。

第007节_编写C程序控制LED

接下来，我们来编写C程序来控制led。

我们写出了main函数，以下有几个问题需要我们仔细考虑一下： 

a, 谁来调用它? 

b. main函数中变量保存在内存中, 这个内存地址是多少?

答: 我们还需要写一个汇编代码, 给main函数设置内存, 调用main函数

led.c源码：

int main()

{

    unsigned int *pGPFCON = (unsigned int *)0x56000050;

    unsigned int *pGPFDAT = (unsigned int *)0x56000054;

    /*配置GPF4为输出引脚*/

    *pGPFCON = 0x100;

    /*配置GPF4输出0*/

    *pGPFDAT = 0;

    return 0;

}

start.S源码：

.text

.global _start

_start:

    /*设置内存：sp栈*/

    ldr sp,=4096 /*nand启动*/

//  ldr sp, =0x40000000 /*nor启动*/

    /*调用main*/

    bl main

halt:

    b halt

Makefile源码：

all:

    arm-linux-gcc -c -o led.o led.c

    arm-linux-gcc -c -o start.o start.S

    arm-linux-ld -Ttext 0 start.o led.o -o led.elf

    arm-linux-objcopy -O binary -S led.elf led.bin

    arm-linux-objdump -D led.elf > led.dis

clean:

    rm *.bin *.o *.elf *.dis

最后将上面三个文件放入Ubuntu主机编译，然后烧写到开发板即可

第008节_几条汇编指令_bl_add_sub_ldm_stm

1,add

add r0,r1,#4          

1

功能：r0=r1+4

2,sub

sub r0,r1,#4

1

功能：r0=r1-4

3,bl (branch and link)

bl xxx

1

功能：第一步，将返回地址保存到 lr (r14)寄存器中；第二步，跳转到xxx

4，ldm 和 stm

ldmia  sp, {fp,sp,pc}

1

功能：读内存，将值写入到多个寄存器中。

stmdb  sp!, {fp,ip,lr,pc}

1

功能：把多个寄存器的内容写入到内存中。

我们把两条指令放到一起来讲： 

指令有4种前缀，分别为 

ia：Increment After过后增加 

ib：Increment Before预先增加 

da：Increment Before过后减少 

db：Decrement Before预先减少

并且，对于两条指令而言都是高地址内存写入高编号寄存器、高编号寄存器写入高编号地址。

针对以上两条举例来讲解：

其中，sp!表示sp的最终值为修改后的值。

其中，sp表示sp的值保持不变。

009节_解析C程序的内部机制

上面我们共写了三段代码，下面进行分析。

1，start.S 

start.S中，实际上做了两件事情； 

-设置栈 

-调用了main函数，并把返回地址存入lr寄存器。

2，led.c 

led.c中，实际上也做了一下三件事情： 

-定义两个局部变量 

-设置变量 

-return 0

由此我们可能要问一下几个问题： 

1）为何要设置栈？ 

因为C函数要用。

2）怎么使用栈？ 

一是存放局部变量，二是存放lr等寄存器的值。

3）调用者如何传参数给被调用者？

4）被调用者如何传返回值给调用者？

5）怎么从栈中恢复那些寄存器？

接下来，以上节编写的代码为例来分析整个过程：

Disassembly of section .text:

00000000

   0:   e3a0da01    mov sp, #4096   ; 0x1000`

   4:   eb000000    bl  c

00000008

   8:   eafffffe    b   8

0000000c

   c:   e1a0c00d    mov ip, sp

  10:   e92dd800    stmdb   sp!, {fp, ip, lr, pc}

  14:   e24cb004    sub fp, ip, #4  ; 0x4

  18:   e24dd008    sub sp, sp, #8  ; 0x8

  1c:   e3a03456    mov r3, #1442840576 ; 0x56000000

  20:   e2833050    add r3, r3, #80 ; 0x50

  24:   e50b3010    str r3, [fp, #-16]

  28:   e3a03456    mov r3, #1442840576 ; 0x56000000

  2c:   e2833054    add r3, r3, #84 ; 0x54

  30:   e50b3014    str r3, [fp, #-20]

  34:   e51b2010    ldr r2, [fp, #-16]

  38:   e3a03c01    mov r3, #256    ; 0x100

  3c:   e5823000    str r3, [r2]

  40:   e51b2014    ldr r2, [fp, #-20]

  44:   e3a03000    mov r3, #0  ; 0x0

  48:   e5823000    str r3, [r2]

  4c:   e3a03000    mov r3, #0  ; 0x0

  50:   e1a00003    mov r0, r3

  54:   e24bd00c    sub sp, fp, #12 ; 0xc

  58:   e89da800    ldmia   sp, {fp, sp, pc}

Disassembly of section .comment:

00000000

   0:   43434700    cmpmi   r3, #0  ; 0x0

   4:   4728203a    undefined

   8:   2029554e    eorcs   r5, r9, lr, asr #10

   c:   2e342e33    mrccs   14, 1, r2, cr4, cr3, {1}

  10:   Address 0x10 is out of bounds.

上面是我们将led.bin文件进行反汇编后的文件。结合图示来分析； 

机器代码会被复制到cpu中的4K的SDRAM中，如下图所示： 

片内4KRAM： 

我们根据汇编指令行号来一行一行的分析：

00000000

   0:   e3a0da01    mov sp, #4096   ; 0x1000    //sp=4096