樹莓派4裸機基礎(chǔ)教程:從hello world開始

1.前言

2.項目工程介紹

2.1 Makefile

2.2 link.ld 鏈接文件

3.從CPU的角度看代碼的運行

3.1 start.S文件

3.2 main函數(shù)的功能

4.樹莓派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€系統(tǒng)的時候，首先需要從最簡單的程序開始入手。前面文章的介紹已經(jīng)描述了項目的環(huán)境搭建以及啟動過程。

樹莓派4裸機基礎(chǔ)教程：環(huán)境搭建

樹莓派4裸機基礎(chǔ)教程：芯片啟動到代碼執(zhí)行

本文主要從最簡單的裸機代碼開始分析，讓板子的串口可以輸出hello world信息。這篇文章會介紹工程的構(gòu)建，程序的運行等等一些列的流程，以及樹莓派4最后如何輸出hello world。在嵌入式開發(fā)的過程中，往往都是萬事開頭難，只有看到了程序正在運行的那一刻，后面的工作也就迎刃而解了。

2.項目工程介紹

最后的工程文件如下所示：

2.1 Makefile

我們通過Makefile進行相關(guān)工程的構(gòu)建，使用make生成kernel可執(zhí)行程序文件。對于這種簡單的工程，使用Makefile進行工程的構(gòu)建是很簡單的，對于復(fù)雜的工程，可以使用scons或者cmake等更加高級的工具，進行工程的構(gòu)建。

首先來看一下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

分析一下這個文件的細(xì)節(jié)：

SRCS=$(wildcard*.c)

其中使用wildcard這個函數(shù)來獲取當(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的時候，會執(zhí)行clean與kernel7.img對應(yīng)的命令的指令。

start.o:start.S arm-none-eabi-gcc$(CFLAGS)-cstart.S-ostart.o

根據(jù)makefile的語法規(guī)則這個解釋應(yīng)該是

目標(biāo):源 指令

由于前面的定義只定義了C語言的代碼，所以這里也需要將匯編語言的編譯加進去。

%.o:%.c arm-none-eabi-gcc$(CFLAGS)-c$

其中$<表示第一個依賴文件的名詞，$@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arm-none-eabi-ld鏈接所以的.o文件。arm-none-eabi-objcopy用于生成在arm平臺上運行的可執(zhí)行程序，另外的作用就是去掉一些符號信息。

clean: rmkernel7.elfkernel7.img*.o>/dev/null2>/dev/null||true

用于清理編譯過程中的中間文件。

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，因為默認(rèn)情況下，樹莓派默認(rèn)啟動后，會從0x8000這個地址處開始加載程序并啟動。KEEP(*(.text.boot))表示首先將.text.boot的內(nèi)容放在第一個地址處，目前開始的地址是0x8000。需要注意的是.bss段包含的是初始化為零的數(shù)據(jù)，通過將這些數(shù)據(jù)放在一個單獨的節(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。并且將這段空間對齊。如果不對齊，一些函數(shù)訪問的時候，將會出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

3.從CPU的角度看代碼的運行

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在鏈接腳本中鏈接到開頭的地址中。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

從樹莓派啟動第一行代碼的時候，此時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)。此時需要退出虛擬化模式。使其運行在Supervisor模式。用eret指令將模式進行切換。

/* Suspend the other cpu cores */ mrc p15, 0, r0, c0, c0, 5 ands r0, #3 bne _halt

因為剛開始的時候，樹莓派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)閉非對齊檢查。為后續(xù)的代碼運行準(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，由于布局的時候，將_start的代碼段的地址設(shè)置為0x8000，又因為arm上sp棧指針是向低地址方向增長，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。特點是可讀寫的,在程序執(zhí)行之前BSS段會自動清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語言代碼執(zhí)行提供了環(huán)境，包括關(guān)閉非對齊檢查、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語言中做了具體的業(yè)務(wù)。由于目前的裸機代碼比較的簡單，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()); } }

這個代碼就是通過串口輸出一個hello world!，然后在while中不斷的讀串口的輸入。那么重點還是放在樹莓派串口的初始化上。

4.樹莓派4串口外設(shè)程序

在做嵌入式的時候，我們總是希望設(shè)備與自己是有交互的，比如點亮一個led，或者用串口輸出一段字符等等。這都表示程序正常運行。所以會寫簡單的交互程序也非常的重要。一般比較簡單的就是led的呼吸燈。這里用串口，可以做人機交互的信息可以更加的豐富。下面我們來分析一下串口的程序的實現(xiàn)。

在寫外設(shè)的驅(qū)動程序之前，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，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

對于樹莓派的gpio，找到對應(yīng)的地址后，還需要找到其對應(yīng)的功能。

首先查看樹莓派上對應(yīng)的硬件引腳：

對應(yīng)的功能如下所示：目前串口使用的硬件引腳為14號與15號引腳。

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。對著手冊查看，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的過程。前期的c語言運行環(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)的初始化可能會和具體的硬件平臺相關(guān)。但是從整體上來看，整個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)啟動過程，配置寄存器參數(shù)需要對著手冊查看，這里也不進行過多的分析，總之多看手冊才是學(xué)會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)。歐陽修《賣油翁》 里說到：無他,但手熟爾。

原文標(biāo)題：樹莓派4裸機基礎(chǔ)教程:從hello world開始

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