第008课 第1个ARM裸板程序及引申(点亮LED灯)

原文地址： http://wiki.100ask.org

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?

1. 配置为输出引脚；

2. 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 :
   0:   e59f1014    ldr r1, [pc, #20]   ; 1c 
   4:   e3a00c01    mov r0, #256    ; 0x100
   8:   e5810000    str r0, [r1]
   c:   e59f100c    ldr r1, [pc, #12]   ; 20 
  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：

  1. 移位

左移： int a = 0x123; int b = a>2;–> b=0x48 左移是乘4，右移是除4；

1. 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

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

3. 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

4. 置位 把a的bit7、8置位（变为1） int a = 0x123; int b = a|(1