9. 从0学ARM Cortex-A9 LED汇编、C语言驱动编写

2022-12-03 15:29:11

0. 前言

一般我们购买一个开发板，厂家都会给出对应的电路图文件，我们可以通过搜索对应名称来查找到对应的外设。对于驱动工程师来说，我们只需要知道外设与SOC交互的一些数据线和信号线即可。

用主控芯片控制这些外设的一般步骤：

看电路原理图，弄明白主控芯片和外设是怎么连接的，对于驱动工程师来说，主要是看外设的一些clk、数据引脚、控制引脚是如何连接的；
外设一般都会连接到SOC的1个或者多个控制器上，比如i2c、spi、gpio等，有的是数据线有的是信号线，中断线等；
根据电路连接和需求对主控芯片进行设置，往往对外设的设置都是通过寄存器操作实现；
书写相应代码，实现功能，不同类型的外设，代码结构也不尽相同，比如按键，我们既可以通过轮询方式读取按键信息，也可以通过中断方式来读取。

下面我们就以华清远见的fs4412开发板为例来看如何编写led的裸机程序。
SOC exynos 4412 datahseet 下载地址：
https://download.csdn.net/download/daocaokafei/12533438

一、LED灯电路图

通过后续的章节的一些常用外设的分析，相信大家会掌握如何查阅电路图。

首先看下led电路图：

该板子有4个LED，是发光二极管，有电流是为蓝色；
led都接了上拉电阻；
三极管的基极接了SOC的某个GPIO引脚；
比如GPX1_0,当该引脚为高电平是，三极管pn结导通，于是LED3两侧就有了电势差，LED3被点亮，如果该引脚为低电平，pn结截止，LED3两侧就没有了电势差，LED3熄灭。

下面是CPU核访问GPIO控制器的数据通路：

AHB：高速总线
APB Bridge:APB总线桥
APB：外设总线，低速总线
GPIO挂载在APB总线上

由上图可知，cpu要访问GPIO的寄存器需要经过的路径。

二、GPIO

GPIO（General Purpose I/O Ports）意思为通用输入/输出端口，通俗地说，就是一些引脚，可以通过它们输出高低电平或者通过它们读入引脚的状态-是高电平或是低电平。

用户可以通过GPIO口和硬件进行数据交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鸣器等),读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。GPIO口的使用非常广泛。

1. GPIO的优点

低功耗：GPIO具有更低的功率损耗(大约1µA，µC的工作电流则为100µA)。
集成I²C从机接口：GPIO内置I²C从机接口，即使在待机模式下也能够全速工作。
小封装：GPIO器件提供最小的封装尺寸—3mm x 3mm QFN!
低成本：您不用为没有使用的功能买单！
快速上市：不需要编写额外的代码、文档，不需要任何维护工作！
灵活的灯光控制：内置多路高分辨率的PWM输出。
可预先确定响应时间：缩短或确定外部事件与中断之间的响应时间。
更好的灯光效果：匹配的电流输出确保均匀的显示亮度。
布线简单：仅需使用2条I²C总线或3条SPI总线。

2. exynos4412 GPIO特性

172 个外部中断
32个外部可唤醒中断
252个多功能 input/output ports
在休眠模式下也可以控制GPIO引脚，但不包括 GPX0, GPX1, GPX2, and GPX3

3. 6 General Purpose Input/Output (GPIO) Control

Exynos 4412 SCP 包括304个多功能 input/output端口引脚和164 存储端口引脚. 总共 37
个端口分组和两个存储端口分组.。

下图为GPIO模块图：

三、如何操作GPIO？

主要通过寄存器来操作GPIO引脚。

GPxCON用于选择引脚功能，GPxDAT用于读/写引脚数据；另外，GPxUP用于确定是否使用内部上拉电阻。其中x为A、B…..H、J等。

1. GPxCON寄存器

从寄存器的名字可以看出，它用于配置（Configure）-选择引脚功能。

LED3是连接到GPX1_0,该引脚说明如下：
由上图所示，

GPX1CON地址为0x1100C20;
LED3是输出设备，所以需要将GPX1CON[3:0]设置为0x1，但是能修改其他的bite。

2. GPxDAT寄存器

GPxDAT用于读/写引脚；当引脚被设为输入时，读此寄存器可知相应引脚的电平状态是高还是低；当引脚被设为输出时，写此寄存器相应位可以令此引脚输出高电平或是低电平。

GPX1DAT的地址是0x1100C24
LED3对应的输出引脚是GPX1DAT[0]，点灯只需要将该引脚设置为1即可，灭灯将bite0置0。

3. GPxUP寄存器

GPxUP：某位为1时，相应引脚无内部上拉电阻；为0时，相应引脚使用内部上拉电阻。

上拉电阻的作用在于：当GPIO引脚处于第三态（即不是输出高电平，也不是输出低电平，而是呈高阻态，即相当于没接芯片）时，它的电平状态由上拉电阻、下拉电阻确定。

本例不用设置。

四、驱动编写

下面我们分别用汇编和C语言来给LED编写驱动程序。

1. 汇编代码

大家如果掌握了我之前讲解的汇编指令的知识点，那么这个代码很容易就能看明白：

.globl _start
.arm
_start:
	LDR R0,=0x11000C20 @将配置寄存器GPX1CON的地址写入到R0
	LDR R1,[R0]  @读取寄存器GPX1CON的值保存到R1
	BIC R1,R1,#0x0000000f @将R1的3:0位清0，目的是不覆盖到其他bit的值
	ORR R1,R1,#0x00000001 @将R1的3:0位置1
	STR R1,[R0]  @将R1的值写回寄存器GPX1CON
loop:
	LDR R0,=0x11000C24 @将data寄存器GPX1DAT的地址写入到R0
	LDR R1,[R0] @读取寄存器GPX1DAT的值保存到R1
	ORR R1,R1,#0x01 @将R1的值bite0 设置为1，即拉高，点灯
	STR R1,[R0]  @将R1的值写回寄存器GPX1DAT
	BL delay  @调用延时函数
	LDR R1,[R0] 
	BIC R1,R1,#0x01 @将R1的值bite0 设置为0，即拉低，灭灯
	STR R1,[R0]
	BL delay
	B loop
delay:     @delay延时函数
	LDR R2,=0xfffffff
loop1:
	SUB R2,R2,#0x1
	CMP R2,#0x0
	BNE loop1
	MOV PC,LR @返回
.end

Makefile

TARGET=gcd
all:
	arm-none-linux-gnueabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGET).o $(TARGET).s
	arm-none-linux-gnueabi-ld	 	$(TARGET).o -Ttext 0x40008000 -N -o $(TARGET).elf
	arm-none-linux-gnueabi-objcopy -O binary -S $(TARGET).elf $(TARGET).bin
clean:
	rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin

程序功能很简单，就是让LED3呈现一闪一闪的效果。

执行make，最终生成的gcd.bin文件。

2. c语言实现

如果要进入C语言执行环境，那么就必须为设置栈空间，函数调用参数和返回值会压栈。

start.s

.text
.global _start
_start:
		ldr		sp,=0x70000000         /*get stack top pointer*/
		b		main

main.c

/* GPX1 */
typedef struct {
				unsigned int CON;
				unsigned int DAT;
				unsigned int PUD;
				unsigned int DRV;
}gpx1;
#define GPX1 (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 )

void led_init(void)
{
	GPX1.CON = GPX1.CON & (~(0x0000000f)) | 0x00000001;
}
void led_on(int n)
{	
	GPX1.DAT = GPX1.DAT|0x01;
}
void led_off()
{	
	GPX1.DAT = GPX1.DAT&(~(0x01));		
}
void  delay_ms(unsigned int num)
{   int i,j;
     for(i=num; i>0;i--)
     	for(j=1000;j>0;j--)
         ;
 }
int main(void)
{
	led_init ();
	while (1) {
		led_on();
		delay_ms(500);
		led_off();
		delay_ms(500);
	}
	while(1);
    return 0;
}

map.lds

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
	. = 0x40008000;     ;从该地址开始
	. = ALIGN(4);
	.text      :       ;指定代码段
	{
		gcd.o(.text)  ;代码的第一个部分，绝对不能错
		*(.text)
	}
	. = ALIGN(4);
    .rodata :             ;只读数据段
	{ *(.rodata) }
    . = ALIGN(4);
    .data :              ;读写数据段
	{ *(.data) }
    . = ALIGN(4);
    .bss :              
     { *(.bss) }
}

Makefile

TARGET=gcd
TARGETC=main
all:
	arm-none-eabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGETC).o  $(TARGETC).c
	arm-none-eabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGET).o $(TARGET).s
	arm-none-eabi-gcc -O0 -g -S -o $(TARGETC).s  $(TARGETC).c
	arm-none-eabi-ld	$(TARGETC).o	$(TARGET).o -Tmap.lds -o  $(TARGET).elf
	arm-none-eabi-objcopy -O binary -S $(TARGET).elf $(TARGET).bin	
clean:
	rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin

执行make命令，最终生成的gcd.bin文件。

这段代码中，读者可能不能理解的是下面的定义：

typedef struct {
				unsigned int CON;
				unsigned int DAT;
				unsigned int PUD;
				unsigned int DRV;
}gpx1;
#define GPX1 (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 )

由上图所示：

(volatile gpx1 *)0x11000C20 ) ：将常量0x11000C20 强转成struct gpx1类型指针
(* (volatile gpx1 *)0x11000C20 )：查找指针对应的内存驱动，即对应整个结构体变量，结构体变量地址为0x11000C20
define GPX1 (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 ) ：GPX1等价于地址为0x11000C20的结构体变量

这样我们要想操作GPX1的寄存器，就可以像结构体变量一样操作即可。

3. 测试

采用UBOOT自带的命令loadb,通过串口以baud速率下载binary(.bin)至SDRAM中某一地址中，然后用go 命令从某地址处开始执行程序。

该命令使用了kermit protocol，嵌入式系统通常使用该协议与pc传送文件。

操作步骤如下：

串口连接开发板，开发板启动后在读秒阶段，立即按下回车，进入uboot命令界面
执行loadb 40008000 【该地址与Makefile 和map.lds文件中的地址保持一致】
选择菜单transfer->send Kermit,
然后选择我们编译好的gcd.bin文件,
点击OK，出现"Staring kermit transfer."字样，
执行 go 40008000，运行程序

执行结果：
可以看到LED闪烁的现象。

5. 注意

该种测试方法需要bootloader选用uboot，并且需要串口工具支持Kermit协议，一口君使用的是SecureCRT7.3.3版本【其他低一些的版本可能不支持该协议】，该软件的下载和安装方法【安装方法有点繁琐】可以公众号后台回复【SecureCRT】。

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