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2020年03月20日 | 第008课 第1个ARM裸板程序及引申(点亮LED灯)
2020-03-20 来源：eefocus
第001节辅线1硬件知识_LED原理图
当我们学习C语言的时候，我们会写个Hello程序。那当我们写ARM程序，也该有一个简单的程序引领我们入门，这个程序就是点亮LED。
我们怎样去点亮一个LED呢？
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;
写程序;
先来讲讲怎么看原理图：
LED样子有很多种，像插脚的，贴片的。
它们长得完全不一样，因此我们在原理图中将它抽象出来。
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，通过编程，利用芯片的引脚去控制开关。
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节辅线1硬件知识_S3C2440启动流程与GPIO操作
在原理图中，同名的Net表示是连在一起的。
怎么样GPF4怎么输出1或0?
配置为输出引脚；
设置状态；
因此，设置GPFCON[9:8]=0b01,即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），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；
它里面的GPIO控制器也有很多寄存器，如 GPFCON、GPFDAT。
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。
把GPF4配置为输出，需要把0x100写入GPFCON这个寄存器，即写到0x5600 0050上；
把GPF4输出1，需要把0x10写到地址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，读取地址x上的数据（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的值写到地址x（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。
第一个LED程序代码如下：
/*
* 点亮LED1: gpf4
*/
.text
.global _start
_start:
/* 配置GPF4为输出引脚
* 把0x100写到地址0x56000050
*/
ldr r1, =0x56000050
ldr r0, =0x100 /* mov r0, #0x100 */
str r0, [r1]
/* 设置GPF4输出高电平
* 把0写到地址0x56000054
*/
ldr r1, =0x56000054
ldr r0, =0 /* mov r0, #0 */
str r0, [r1]
/* 死循环 */
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.
关于Makefile以后会讲。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。我们代码中的ldr r1, =0x56000050这条伪指令的真实指令时什么呢?
我们可以通过反汇编来查看。
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：
led_on.elf: file format elf32-littlearm
Disassembly of section .text:
00000000 <_start>:
0: e59f1014 ldr r1, [pc, #20] ; 1c <.text+0x1c>
4: e3a00c01 mov r0, #256 ; 0x100
8: e5810000 str r0, [r1]
c: e59f100c ldr r1, [pc, #12] ; 20 <.text+0x20>
10: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x0
14: e5810000 str r0, [r1]
00000018 18: eafffffe b 18 1c: 56000050 undefined 20: 56000054 undefined 第一列是地址，第二列是机器码，第三列是汇编； 在反汇编文件里可以看到，ldr r1, =0x56000050被转换成ldr r1, [pc, #20],pc+20地址的值为0x56000050,通过这种方式为r1赋值。 对于立即数0x100而言，ldr r0,=0x100即是转换成了mov r0,#256; 在2440这个SOC里面，R0-R15都在CPU里面，其中： R13 别名：sp （Stack Pointer）栈指针 R14 别名：lr （Link Register）返回地址 R15 别名：pc （program Counter）程序计数器=当前指令+8 为什么 PC=当前指令+8？ ARM指令采用流水线机制，当前执行地址A的指令，已经在对地址A+4的指令进行译码，已经在读取地址A+8的指令，其中A+8就是PC的值。 C/汇编（给人类方便使用的语言）———编译器———>bin，含有机器码（给CPU使用） 第005节编程知识进制 17个苹果，有4种表示方式，它们表示同一个数值： 计算验证： 十进制：17=1x10^1 + 7x10^0; 二进制：17=1x2^4 + 0x2^3 + 0x2^2 + 0x2^1 + 1x2^0; 八进制：17=2x8^1 + 1x8^0; 十六进制：17=1x16^1 + 1x16^0; 为何引入二进制？ 在硬件角度看，晶体管只有两个状态：on是1,off是0； 数据使用多个晶体管进行表示，用二进制描述，吻合硬件状态。 为何引入八进制？ 将二进制的三位作为一组，把这一组作为一位进行表示，就是八进制。 为何引入十六进制？ 将二进制的四位作为一组，把这一组作为一位进行表示，就是十六进制。八进制和十六进制方便我们描述，简化了长度。 如何快速的转换2/8/16进制： 首先记住8 4 2 1 ——>二进制权重 举例1： 将二进制0b01101110101转换成八进制： 将二进制从右到左，每三个分成一组： 结果就是1565； 举例2： 将二进制0b01101110101转换成十六进制： 将二进制从右到左，每四个分成一组： 结果就是375； 举例3： 将十六进制0xABC1转换成二进制： 将十六进制从右到左，每个分成四位： 结果就是1010 1011 1100 0001； 在C语言中怎么表示这些进制呢？ 十进制： int a = 96; 八进制： int a = 0140;//0开头 十六进制： int a = 0x60;//0x开头 用0b开头表示二进制，约定俗成的规定。 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。 位操作： 移位 左移： int a = 0x123; int b = a<<2;–> b=0x48C 右移： int a = 0x123; int b = a>>2;–> b=0x48 左移是乘4，右移是除4； 取反 原来问0的位变1，原来为1的位变0； int a = 0x123; int b = ~a;a=2 位与 1 & 1 = 1 1 & 0 = 0 0 & 1 = 0 0 & 0 = 0 int a = 0x123; int b = 0x456; int c = a&b;–> c=0x2 位或 1 | 1 = 1 1 | 0 = 1 0 | 1 = 1 0 | 0 = 0 int a = 0x123; int b = 0x456; int c = a|b;–> c=0x577 置位 把a的bit7、8置位（变为1） int a = 0x123; int b = a|(1<<7)|(1<<8);–> c=0x1a3 清位 把a的bit7、8清位（变为0） int a = 0x123; int b = (a& ~(1<<7))&(~(1<<8));–> c=0x23 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 C语言的指针操作： ①所有的变量在内存中都有一块区域； ②可以通过变量/指针操作内存； TYPE *p = val1; *p = val2; 把val2写入地址val1的内存中，写入sizeof(TYPE)字节; TYPE *p = addr; *p = val; 把val写入地址addrd的内存，，写入sizeof(TYPE)字节; a. 我们写出了main函数, 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 ⑥ADD/SUB 加法/减法 举例1： add r0,r1,#4 效果为 r0=r1+4； 举例2： sub r0,r1,#4 效果为 r0=r1-4； 举例3： sub r0,r1,r2 效果为 r0=r1-r2； ⑦BL (Brarch and Link)带返回值的跳转 跳转到指定指令，并将返回地址（下一条指令）保存在lr寄存器； ⑧LDM/STM 读内存，写入多个寄存器/把多个寄存器的值写入内存 可搭配的后缀有 过后增加(Increment After)、预先增加(Increment Before)、过后减少(Decrement After)、预先减少(Decrement Before)； 举例1： stmdb sp!, (fp,ip,lr,pc) 假设Sp=4096。 db意思是先减后存，按 高编号寄存器存在高地址 存。 举例2： ldmia sp, (fp,ip,pc) 009节_解析C程序的内部机制 003_led.c内部机制分析： start.S: ①设置栈； ②调用main，并把返回值地址保存到lr中； led.c的main()内容： ①定义2个局部变量； ②设置变量； ③return 0； 问题： ①为什么要设置栈？ 因为c函数要用。 ②怎么使用栈？ a.保存局部变量； b.保存lr等寄存器； 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？”’ 在arm中有个ATPCS规则，约定r0-r15寄存器的用途。 r0-r3:调用者和被调用者之间传参数； r4-r11:函数可能被使用，所以在函数的入口保存它们，在函数的出口恢复它们； 下面分析个实例 start.S: .text .global _start _start: /* 设置内存: sp 栈 */ ldr sp, =4096 /* nand启动 */ // ldr sp, =0x40000000+4096 /* nor启动 */ /* 调用main */ bl main halt: b halt led.c: int main() { unsigned int *pGPFCON = (unsigned int *)0x56000050; unsigned int *pGPFDAT = (unsigned int *)0x56000054; /* 配置GPF4为输出引脚 */ *pGPFCON = 0x100; /* 设置GPF4输出0 */ *pGPFDAT = 0; return 0; } 将前面的程序反汇编得到led.dis如下： led.elf: file format elf32-littlearm Disassembly of section .text: 00000000 <_start>: 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 
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