樹(shù)莓派4裸機(jī)基礎(chǔ)教程:從hello world開(kāi)始
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
樹(shù)莓派4裸機(jī)基礎(chǔ)教程:從hello world開(kāi)始
-
1.前言
-
2.項(xiàng)目工程介紹
-
2.1 Makefile
-
2.2 link.ld 鏈接文件
-
3.從CPU的角度看代碼的運(yùn)行
-
3.1 start.S文件
-
3.2 main函數(shù)的功能
-
4.樹(shù)莓派4串口外設(shè)程序
-
4.1 設(shè)置gpio的功能
-
4.2 配置串口控制器
-
5.總結(jié)
1.前言
當(dāng)我們?nèi)パ芯恳粋€(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，首先需要從最簡(jiǎn)單的程序開(kāi)始入手。前面文章的介紹已經(jīng)描述了項(xiàng)目的環(huán)境搭建以及啟動(dòng)過(guò)程。
樹(shù)莓派4裸機(jī)基礎(chǔ)教程：環(huán)境搭建
樹(shù)莓派4裸機(jī)基礎(chǔ)教程：芯片啟動(dòng)到代碼執(zhí)行
本文主要從最簡(jiǎn)單的裸機(jī)代碼開(kāi)始分析，讓板子的串口可以輸出hello world信息。這篇文章會(huì)介紹工程的構(gòu)建，程序的運(yùn)行等等一些列的流程，以及樹(shù)莓派4最后如何輸出hello world。在嵌入式開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，往往都是萬(wàn)事開(kāi)頭難，只有看到了程序正在運(yùn)行的那一刻，后面的工作也就迎刃而解了。
2.項(xiàng)目工程介紹
我們還是以第一個(gè)1.compilation_environment的工程作為研究對(duì)象。工程的地址在下面的鏈接中：
https://github.com/bigmagic123/raspi4-bare-metal.git
最后的工程文件如下所示：
2.1 Makefile
我們通過(guò)Makefile進(jìn)行相關(guān)工程的構(gòu)建，使用make生成kernel可執(zhí)行程序文件。對(duì)于這種簡(jiǎn)單的工程，使用Makefile進(jìn)行工程的構(gòu)建是很簡(jiǎn)單的，對(duì)于復(fù)雜的工程，可以使用scons或者cmake等更加高級(jí)的工具，進(jìn)行工程的構(gòu)建。
首先來(lái)看一下Makefile中的內(nèi)容:
SRCS = $(wildcard *.c) OBJS = $(SRCS:.c=.o) CFLAGS = -march=armv8-a -mtune=cortex-a72 -Wall -O2 -ffreestanding -nostdinc -nostdlib -nostartfiles all: clean kernel7.img start.o: start.S arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c start.S -o start.o %.o: %.c arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c $< -o $@ kernel7.img: start.o $(OBJS) arm-none-eabi-ld -nostdlib -nostartfiles start.o $(OBJS) -T link.ld -o kernel7.elf arm-none-eabi-objcopy -O binary kernel7.elf kernel7.img clean: rm kernel7.elf kernel7.img *.o >/dev/null 2>/dev/null || true
分析一下這個(gè)文件的細(xì)節(jié)：
SRCS = $(wildcard *.c)
其中使用wildcard這個(gè)函數(shù)來(lái)獲取當(dāng)前文件夾中所有的.c文件的列表放在SRCS目錄中。
OBJS = $(SRCS:.c=.o)
該句表示環(huán)境變量的替換，就是將SRCS列表中的所有的.c文件名替換成.o文件名。
all: clean kernel7.img
當(dāng)使用make或者make all的時(shí)候，會(huì)執(zhí)行clean與kernel7.img對(duì)應(yīng)的命令的指令。
start.o: start.S arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c start.S -o start.o
根據(jù)makefile的語(yǔ)法規(guī)則這個(gè)解釋?xiě)?yīng)該是
目標(biāo):源 指令
由于前面的定義只定義了C語(yǔ)言的代碼，所以這里也需要將匯編語(yǔ)言的編譯加進(jìn)去。
%.o: %.c arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c $< -o $@
其中$<表示第一個(gè)依賴文件的名詞，$@表示目標(biāo)文件的名詞。
kernel7.img: start.o $(OBJS) arm-none-eabi-ld -nostdlib -nostartfiles start.o $(OBJS) -T link.ld -o kernel7.elf arm-none-eabi-objcopy -O binary kernel7.elf kernel7.img
通過(guò)arm-none-eabi-ld鏈接所以的.o文件。arm-none-eabi-objcopy用于生成在arm平臺(tái)上運(yùn)行的可執(zhí)行程序，另外的作用就是去掉一些符號(hào)信息。
clean: rm kernel7.elf kernel7.img *.o >/dev/null 2>/dev/null || true
用于清理編譯過(guò)程中的中間文件。
2.2 link.ld 鏈接文件
由于程序的編譯之后，需要進(jìn)行鏈接，link文件告訴了程序鏈接的規(guī)則。下面看一下鏈接文件的內(nèi)容：
SECTIONS {
/*
* First and formost we need the .init section, containing the code to
* be run first. We allow room for the ATAGs and stack and conform to
* the bootloader's expectation by putting this code at 0x8000.
*/
. = 0x8000;
.text : {
KEEP(*(.text.boot))
*(.text .text.* .gnu.linkonce.t*)
}
/*
* Next we put the data.
*/
.data : {
*(.data)
}
.bss : {
. = ALIGN(16);
__bss_start = .;
*(.bss*)
*(COMMON*)
__bss_end = .;
}
}
__bss_size = (__bss_end - __bss_start) >> 3;
程序分為代碼段(.text)，數(shù)據(jù)段(.data)以及bss段(.bss)。首先將代碼段的地址. = 0x8000;指向0x8000的地址處，因?yàn)槟J(rèn)情況下，樹(shù)莓派默認(rèn)啟動(dòng)后，會(huì)從0x8000這個(gè)地址處開(kāi)始加載程序并啟動(dòng)。KEEP(*(.text.boot))表示首先將.text.boot的內(nèi)容放在第一個(gè)地址處，目前開(kāi)始的地址是0x8000。需要注意的是.bss段包含的是初始化為零的數(shù)據(jù)，通過(guò)將這些數(shù)據(jù)放在一個(gè)單獨(dú)的節(jié)中，編譯器可以在elf文件中省略一些空間。所以需要記錄bss_start與bss_end段。并且將這段空間對(duì)齊。如果不對(duì)齊，一些函數(shù)訪問(wèn)的時(shí)候，將會(huì)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。
3.從CPU的角度看代碼的運(yùn)行
要想真正的理解CPU的執(zhí)行代碼的流程，必須將自己的當(dāng)作CPU去執(zhí)行代碼的邏輯。
3.1 start.S文件
在start.S文件中，設(shè)置了CPU的一些狀態(tài)，為后續(xù)的程序執(zhí)行準(zhǔn)備了環(huán)境。
.equ Mode_USR, 0x10 .equ Mode_FIQ, 0x11 .equ Mode_IRQ, 0x12 .equ Mode_SVC, 0x13 .equ Mode_ABT, 0x17 .equ Mode_UND, 0x1B .equ Mode_SYS, 0x1F .section ".text.boot" /* entry */ .globl _start _start: /* Check for HYP mode */ mrs r0, cpsr_all and r0, r0, #0x1F mov r8, #0x1A cmp r0, r8 beq overHyped b continue overHyped: /* Get out of HYP mode */ adr r1, continue msr ELR_hyp, r1 mrs r1, cpsr_all and r1, r1, #0x1f ;@ CPSR_MODE_MASK orr r1, r1, #0x13 ;@ CPSR_MODE_SUPERVISOR msr SPSR_hyp, r1 eret continue: /* Suspend the other cpu cores */ mrc p15, 0, r0, c0, c0, 5 ands r0, #3 bne _halt /* set the cpu to SVC32 mode and disable interrupt */ cps #Mode_SVC /* disable the data alignment check */ mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 bic r1, #(1<<1) mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0 /* set stack before our code */ ldr sp, =_start /* clear .bss */ mov r0,#0 /* get a zero */ ldr r1,=__bss_start /* bss start */ ldr r2,=__bss_end /* bss end */ bss_loop: cmp r1,r2 /* check if data to clear */ strlo r0,[r1],#4 /* clear 4 bytes */ blo bss_loop /* loop until done */ /* jump to C code, should not return */ ldr pc, _main b _halt _main: .word main _halt: wfe b _halt
分別來(lái)看一下這些代碼具體的細(xì)節(jié)。
.section ".text.boot"
表示該段標(biāo)志為.text.boot，這里表示該文件夾會(huì)在鏈接腳本中鏈接到開(kāi)頭的地址中。然后將_start指定到0x8000的地址處。
/* entry */ .globl _start _start: /* Check for HYP mode */ mrs r0, cpsr_all and r0, r0, #0x1F mov r8, #0x1A cmp r0, r8 beq overHyped b continue overHyped: /* Get out of HYP mode */ adr r1, continue msr ELR_hyp, r1 mrs r1, cpsr_all and r1, r1, #0x1f ;@ CPSR_MODE_MASK orr r1, r1, #0x13 ;@ CPSR_MODE_SUPERVISOR msr SPSR_hyp, r1 eret
從樹(shù)莓派啟動(dòng)第一行代碼的時(shí)候，此時(shí)是處于虛擬化模式的，從cpsr_all寄存器中可以讀到當(dāng)前的狀態(tài)。此時(shí)需要退出虛擬化模式。使其運(yùn)行在Supervisor模式。用eret指令將模式進(jìn)行切換。
/* Suspend the other cpu cores */ mrc p15, 0, r0, c0, c0, 5 ands r0, #3 bne _halt
因?yàn)閯傞_(kāi)始的時(shí)候，樹(shù)莓派4是支持4核的，由于當(dāng)前并不需要這么多核的功能，所以可以讓其他的核進(jìn)入low-power standby低功耗模式WFE(Wait for event)。
/* set the cpu to SVC32 mode and disable interrupt */ cps #Mode_SVC /* disable the data alignment check */ mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 bic r1, #(1<<1) mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0
接著關(guān)閉中斷、關(guān)閉非對(duì)齊檢查。為后續(xù)的代碼運(yùn)行準(zhǔn)備環(huán)境。
/* set stack before our code */ ldr sp, =_start
接著設(shè)置sp的棧指針，ldr sp, =_start表示將棧指針設(shè)置到_start段的地址這里，由于布局的時(shí)候，將_start的代碼段的地址設(shè)置為0x8000，又因?yàn)閍rm上sp棧指針是向低地址方向增長(zhǎng)，sp指向的是棧頂。所以我們可以認(rèn)為0x8000地址之前的空間都是未被使用的，可以作為C語(yǔ)言執(zhí)行的?？臻g使用。
/* clear .bss */ mov r0,#0 /* get a zero */ ldr r1,=__bss_start /* bss start */ ldr r2,=__bss_end /* bss end */ bss_loop: cmp r1,r2 /* check if data to clear */ strlo r0,[r1],#4 /* clear 4 bytes */ blo bss_loop /* loop until done */
接著清空BSS段,BSS段通常是指用來(lái)存放程序中未初始化的或者初始化為0的全局變量和靜態(tài)變量的一塊內(nèi)存區(qū)域。特點(diǎn)是可讀寫(xiě)的,在程序執(zhí)行之前BSS段會(huì)自動(dòng)清0。
/* jump to C code, should not return */ ldr pc, _main
然后設(shè)置PC指針。使用ldr pc, _main指令，將_main函數(shù)的指針，指向pc。這樣下次再執(zhí)行PC程序的時(shí)候就直接執(zhí)行main函數(shù)了。
3.2 main函數(shù)的功能
在前面的匯編代碼中，為C語(yǔ)言代碼執(zhí)行提供了環(huán)境，包括關(guān)閉非對(duì)齊檢查、設(shè)置了棧SP的地址、清零了BSS段。這些都是為C代碼的執(zhí)行做準(zhǔn)備。在C語(yǔ)言中做了具體的業(yè)務(wù)。由于目前的裸機(jī)代碼比較的簡(jiǎn)單，所以業(yè)務(wù)也比較容易。
#include "uart.h" void main() { // set up serial console uart_init(); // say hello uart_puts("Hello World!\n"); // echo everything back while(1) { uart_send(uart_getc()); } }
這個(gè)代碼就是通過(guò)串口輸出一個(gè)hello world!，然后在while中不斷的讀串口的輸入。那么重點(diǎn)還是放在樹(shù)莓派串口的初始化上。
4.樹(shù)莓派4串口外設(shè)程序
在做嵌入式的時(shí)候，我們總是希望設(shè)備與自己是有交互的，比如點(diǎn)亮一個(gè)led，或者用串口輸出一段字符等等。這都表示程序正常運(yùn)行。所以會(huì)寫(xiě)簡(jiǎn)單的交互程序也非常的重要。一般比較簡(jiǎn)單的就是led的呼吸燈。這里用串口，可以做人機(jī)交互的信息可以更加的豐富。下面我們來(lái)分析一下串口的程序的實(shí)現(xiàn)。
在寫(xiě)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序之前，首先需要查看芯片的Peripherals manual。這里查看rpi_DATA_2711_1p0.pdf即可。根據(jù)外設(shè)空間分布的地址，可以查看如下：
這里由于使用32位的地址空間，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，得到芯片的外設(shè)的地址的起始地址為0xFE000000。
如果要使用串口，必須要有兩個(gè)先決條件：
1.相關(guān)的gpio配置成串口復(fù)用功能
2.配置串口控制器參數(shù)
4.1 設(shè)置gpio的功能
對(duì)于樹(shù)莓派的gpio，找到對(duì)應(yīng)的地址后，還需要找到其對(duì)應(yīng)的功能。
首先查看樹(shù)莓派上對(duì)應(yīng)的硬件引腳：
對(duì)應(yīng)的功能如下所示：目前串口使用的硬件引腳為14號(hào)與15號(hào)引腳。
需要設(shè)置的復(fù)用功能為ALT5。
有了這些信息之后，就可以配置GPFSEL1的功能了。
/** * gpio14 RX gpio15 TX */ void uart_gpio_init() { register unsigned int r; /* map UART1 to GPIO pins */ r=*GPFSEL1; r&=~((7<<12)|(7<<15)); // gpio14, gpio15 r|=(2<<12)|(2<<15); // alt5 *GPFSEL1 = r; *GPPUD = 0; // enable pins 14 and 15 r=150; while(r--) { asm volatile("nop"); } *GPPUDCLK0 = (1<<14)|(1<<15); r=150; while(r--) { asm volatile("nop"); } *GPPUDCLK0 = 0; // flush GPIO setup *AUX_MU_CNTL = 3; // enable Tx, Rx }
在樹(shù)莓派中，首先需要選擇使能哪些引腳，然后配置成什么模式。對(duì)著手冊(cè)查看，就知道設(shè)置這些寄存器位的具體含義了。
4.2 配置串口控制器
串口控制器是需要配置的，目前使用的是AUX的串口控制器，也就是使用的mini UART。所以需要配置串口的一些參數(shù)信息。比如串口的波特率、位寬、停止位等等。
*/ void uart_init() { /* initialize UART1 */ *AUX_ENABLE |=1; // enable UART1, AUX mini uart *AUX_MU_CNTL = 0; *AUX_MU_LCR = 3; // 8 bits *AUX_MU_MCR = 0; *AUX_MU_IER = 0; *AUX_MU_IIR = 0xc6; // disable interrupts *AUX_MU_BAUD = 270; // 115200 baud uart_gpio_init(); }
目前串口不需要使用中斷，所以收發(fā)數(shù)據(jù)都直接從串口的fifo中進(jìn)行獲取。
發(fā)送數(shù)據(jù)
/** * Send a character */ void uart_send(unsigned int c) { /* wait until we can send */ do{asm volatile("nop");}while(!(*AUX_MU_LSR&0x20)); /* write the character to the buffer */ *AUX_MU_IO=c; }
判斷當(dāng)前fifo是否有數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有就發(fā)送到串口的fifo。
char uart_getc() { char r; /* wait until something is in the buffer */ do{asm volatile("nop");}while(!(*AUX_MU_LSR&0x01)); /* read it and return */ r=(char)(*AUX_MU_IO); /* convert carrige return to newline */ return r=='\r'?'\n':r; }
從串口的fifo中讀取字符。
5.總結(jié)
從樹(shù)莓派4的hello world程序分析，詳細(xì)的描述了串口的輸出信息到控制臺(tái)的過(guò)程。前期的c語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境的準(zhǔn)備階段是很多同等系列的芯片都需要去做的事情，后面外設(shè)的初始化可能會(huì)和具體的硬件平臺(tái)相關(guān)。但是從整體上來(lái)看，整個(gè)流程還是比較通用的。在不同的芯片與不同的架構(gòu)上，都需要去做這些基本操作。
本文從最小系統(tǒng)的角度描述了系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程，配置寄存器參數(shù)需要對(duì)著手冊(cè)查看，這里也不進(jìn)行過(guò)多的分析，總之多看手冊(cè)才是學(xué)會(huì)使用一款芯片的必經(jīng)之路，只有反復(fù)的看，反復(fù)的思考理解，才能使用得當(dāng)。歐陽(yáng)修《賣(mài)油翁》 里說(shuō)到：無(wú)他,但手熟爾。
下載文檔
