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

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:cleankernel7.img start.o:start.S arm-none-eabi-gcc$(CFLAGS)-cstart.S-ostart.o %.o:%.c arm-none-eabi-gcc$(CFLAGS)-c$/dev/null2>/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:cleankernel7.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)-cstart.S-ostart.o

根據(jù)makefile的語(yǔ)法規(guī)則這個(gè)解釋應(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$(CFLAGS)-c$

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$(OBJS) arm-none-eabi-ld-nostdlib-nostartfilesstart.o$(OBJS)-Tlink.ld-okernel7.elf arm-none-eabi-objcopy-Obinarykernel7.elfkernel7.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: rmkernel7.elfkernel7.img*.o>/dev/null2>/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。

.equMode_USR,0x10 .equMode_FIQ,0x11 .equMode_IRQ,0x12 .equMode_SVC,0x13 .equMode_ABT,0x17 .equMode_UND,0x1B .equMode_SYS,0x1F .section".text.boot" /*entry*/ .globl_start _start: /*CheckforHYPmode*/ mrsr0,cpsr_all andr0,r0,#0x1F movr8,#0x1A cmpr0,r8 beqoverHyped bcontinue overHyped:/*GetoutofHYPmode*/ adrr1,continue msrELR_hyp,r1 mrsr1,cpsr_all andr1,r1,#0x1f;@CPSR_MODE_MASK orrr1,r1,#0x13;@CPSR_MODE_SUPERVISOR msrSPSR_hyp,r1 eret continue: /*Suspendtheothercpucores*/ mrcp15,0,r0,c0,c0,5 andsr0,#3 bne_halt /*setthecputoSVC32modeanddisableinterrupt*/ cps#Mode_SVC /*disablethedataalignmentcheck*/ mrcp15,0,r1,c1,c0,0 bicr1,#(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: /*CheckforHYPmode*/ mrsr0,cpsr_all andr0,r0,#0x1F movr8,#0x1A cmpr0,r8 beqoverHyped bcontinue overHyped:/*GetoutofHYPmode*/ adrr1,continue msrELR_hyp,r1 mrsr1,cpsr_all andr1,r1,#0x1f;@CPSR_MODE_MASK orrr1,r1,#0x13;@CPSR_MODE_SUPERVISOR msrSPSR_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)行的棧空間使用。

/* 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" voidmain() { //setupserialconsole uart_init(); //sayhello uart_puts("HelloWorld! "); //echoeverythingback 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。

/** *gpio14RXgpio15TX */ voiduart_gpio_init() { registerunsignedintr; /*mapUART1toGPIOpins*/ 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。

*/ voiduart_init() { /*initializeUART1*/ *AUX_ENABLE|=1;//enableUART1,AUXminiuart *AUX_MU_CNTL=0; *AUX_MU_LCR=3;//8bits *AUX_MU_MCR=0; *AUX_MU_IER=0; *AUX_MU_IIR=0xc6;//disableinterrupts *AUX_MU_BAUD=270;//115200baud 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)

/** *Sendacharacter */ voiduart_send(unsignedintc){ /*waituntilwecansend*/ do{asmvolatile("nop");}while(!(*AUX_MU_LSR&0x20)); /*writethecharactertothebuffer*/ *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。

charuart_getc(){ charr; /*waituntilsomethingisinthebuffer*/ do{asmvolatile("nop");}while(!(*AUX_MU_LSR&0x01)); /*readitandreturn*/ r=(char)(*AUX_MU_IO); /*convertcarrigereturntonewline*/ returnr==' '?' ':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《賣油翁》 里說(shuō)到：無(wú)他,但手熟爾。

原文標(biāo)題：樹(shù)莓派4裸機(jī)基礎(chǔ)教程:從hello world開(kāi)始

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