ARM裸机开发入门：从环境搭建到外设驱动

ARM 裸机开发学习知识体系

第一阶段：环境搭建与工具链认知

1. 交叉编译工具链安装与配置
   • 安装gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf。
   • 配置环境变量（修改.bashrc文件）。
   • 验证安装（arm-linux-gnueabihf-gcc -v）。
2. 代码传输与烧录
   • 在 Ubuntu 上配置 FTP 服务 (vsftpd)。
   • 使用 Windows 下的FileZilla Client工具上传代码到 Ubuntu 开发机。
   • 使用imxdownload工具将生成的.bin文件烧录到 SD 卡 (/dev/sdb)。
3. 开发板启动方式
   • 了解 i.MX6ULL-Mini 开发板的多种启动模式（SD卡、eMMC、NAND Flash、USB）。
   • 通过拨码开关选择从 SD 卡启动。
4. GNU 工具链详解
   • 编译器 (arm-linux-gnueabihf-gcc): 将源代码（.S,.c）编译成目标文件（.o）。
   • 链接器 (arm-linux-gnueabihf-ld): 将一个或多个目标文件链接成可执行文件（.elf），并根据链接脚本分配地址。
   • 格式转换器 (arm-linux-gnueabihf-objcopy): 将.elf文件转换为纯二进制格式（.bin），用于烧录。
   • 反汇编器 (arm-linux-gnueabihf-objdump): 将.elf文件反汇编成人类可读的汇编代码，用于调试和分析。
5. Makefile 自动化构建
   • 理解 Makefile 的三要素：目标、依赖、规则。
   • 编写规则来自动化执行编译、链接、格式转换、反汇编等步骤。
   • 使用变量（如CC,LD）简化和优化 Makefile。
   • 定义伪目标（如clean,load）来执行清理和烧录操作。

第二阶段：ARM 汇编语言基础

1. 汇编程序结构与伪操作
   • AREA: 定义代码段或数据段。
   • CODE32/THUMB: 指定指令集（32位 ARM 或 16位 Thumb）。
   • ENTRY: 定义程序入口点。
   • END: 标记汇编源文件结束。
   • .global _start: 声明全局符号_start，作为程序入口。
2. 核心数据处理指令
   • MOV: 数据传送指令。理解立即数（12位立即数的判断标准）、寄存器寻址、移位操作（LSL, LSR, ASR, ROR, RRX）。
   • ADD/SUB: 加法/减法指令。
   • MVN: 按位取反传送指令。
   • BIC: 位清零指令（AND NOT）。
   • ORR: 逻辑或指令（用于置位）。
3. 内存访问指令 (Load/Store)
   • LDR: 从内存加载数据到寄存器。掌握多种寻址方式（立即数偏移、寄存器偏移、前/后索引等）。
   • STR: 将寄存器数据存储到内存。
4. 程序状态寄存器 (CPSR) 与条件执行
   • CPSR 标志位:
     • N(Negative): 结果为负。
     • Z(Zero): 结果为零。
     • C(Carry): 无符号运算产生进位或借位。
     • V(oVerflow): 有符号运算溢出。
   • CMP: 比较指令（实质是做减法但不保存结果，只更新 CPSR 标志位）。
   • 利用条件码（如EQ,NE,GT,LT等）实现条件执行。
5. 程序流控制指令
   • B: 无条件或条件分支跳转。
   • BL: 带返回的分支跳转（将下一条指令地址存入LR）。
   • BX: 间接跳转，并可切换指令集状态（ARM/Thumb）。
6. ARM 处理器工作模式
   • 7 种基本模式: User, FIQ, IRQ, Supervisor (SVC), Abort, Undef, System。
   • Cortex-A 特有模式: Monitor (安全扩展)。
   • 模式切换: 通过修改 CPSR 寄存器的 M[4:0] 位域。
     • MRS: 读取 CPSR 到通用寄存器。
     • MSR: 将通用寄存器的值写入 CPSR。
   • CPS 指令: 快速开关中断和切换模式（如cpsid i,cpsie i,cps #mode）。
7. 异常向量表
   • 处理器复位后从固定地址（通常是0x0）开始执行。
   • 异常向量表包含各种异常（复位、未定义指令、SWI、预取中止、数据中止、IRQ、FIQ）的入口地址。
   • 软中断 (SWI): 用于在用户模式下请求内核服务（系统调用）。

第三阶段：函数调用与栈管理

1. 函数调用机制
   • PC 与 LR:BL指令将返回地址存入LR(R14)，函数通过BX LR或MOV PC, LR返回。
   • 寄存器传参: ARM AAPCS 规约规定，前 4 个参数通过R0-R3传递，返回值通过R0返回。
2. 栈 (Stack) 的概念与类型
   • 满栈 (Full Stack): 栈指针指向最后一个有效数据项。
   • 空栈 (Empty Stack): 栈指针指向下一个要放入数据的位置。
   • 增栈 (Ascending): 栈向高地址增长。
   • 减栈 (Descending): 栈向低地址增长。
   • ARM 采用:满减栈 (Full Descending Stack)。
3. 栈指针初始化
   • 使用LDR SP, =0x40001000初始化栈顶指针（SP, R13）。
4. 保护与恢复现场 (压栈/弹栈)
   • STMFD (Store Multiple Full Descending):STMFD SP!, {寄存器列表}。将寄存器列表中的值压入栈，并更新 SP。
   • LDMFD (Load Multiple Full Descending):LDMFD SP!, {寄存器列表}。从栈中弹出值到寄存器列表，并更新 SP。
   • 主调函数职责: 在调用子函数前后，负责保存和恢复自己需要使用的寄存器（包括LR）。
5. 栈对齐问题
   • PRES8 伪指令: 确保栈指针在函数调用时保持 8 字节对齐，以满足某些 ABI 要求，避免链接错误。
6. 混合编程 (C 与汇编互调)
   • 汇编调用 C 函数:
     1. 在汇编中使用IMPORT c_func_name声明。
     2. 按规约准备参数（R0-R3）。
     3. 使用BL c_func_name调用。
     4. 从R0获取返回值。
   • C 调用汇编函数:
     1. 在汇编中使用EXPORT asm_func_name导出函数。
     2. 在 C 中使用extern声明该函数原型。
     3. 像调用普通 C 函数一样调用它。

第四阶段：启动代码与 C 语言运行环境搭建

1. 启动代码的核心任务
   • 初始化异常向量表。
   • 为各处理器模式（SVC, IRQ, FIQ, ABT, UND）设置独立的栈指针。
   • 初始化.bss和COMMON段（清零）。
   • （可选）关闭看门狗、初始化时钟、DDR 等。
   • 设置处理器为User或SVC模式。
   • 跳转到 C 语言的main()函数。
2. 链接脚本 (Linker Script)
   • 作用: 为链接器提供内存布局蓝图，精确控制各段（.text,.rodata,.data,.bss）在内存中的位置。
   • 关键语法:
     • SECTIONS { ... }: 定义输出段。
     • . = 0x87800000;: 设置当前链接地址（Location Counter）。
     • *(.text): 收集所有输入文件的.text段。
     • *(.rodata*): 使用通配符收集所有以.rodata开头的段（如.rodata.str1.1）。
     • __bss_start = .; ... __bss_end = .;: 定义符号，标记.bss段的起始和结束地址，供启动代码用于清零。
3. 内存段 (Memory Segments) 详解
   • .text: 代码段，存放程序的机器指令。
   • .rodata: 只读数据段。存放字符串常量、const全局变量、跳转表等。运行时不可写。
   • .data: 已初始化数据段。存放初始化为非零值的全局/静态变量。程序镜像中包含其初始值。
   • .bss: 未初始化数据段。存放初始化为0或未显式初始化的静态/全局变量。程序镜像中不占空间，运行时由启动代码清零。
   • COMMON: 未初始化的非静态全局变量。在链接时才确定大小和位置，最终通常与.bss合并。

第五阶段：i.MX6ULL 裸机外设驱动开发

1. 硬件抽象与寄存器访问
   • volatile关键字: 告诉编译器不要优化对该变量的访问，因为其值可能被硬件异步修改。
   • 直接地址映射:#define GPIO1_DR *((volatile unsigned int *)0x0209C000)。
   • 结构体映射: 将外设寄存器组定义为结构体，提高代码可读性和可维护性。c

     编辑

     struct GPIO_t { unsigned int DR; unsigned int GDIR; // ... other registers }; #define GPIO1 (*((struct GPIO_t *)0x0209C000))

2. SDK (Software Development Kit) 的使用
   • 主要利用 NXP 提供的头文件（如MCIMX6Y2.h,fsl_common.h,fsl_iomuxc.h）。
   • 使用 SDK 封装好的 API（如IOMUXC_SetPinMux,IOMUXC_SetPinConfig）进行引脚复用和电气属性配置。
3. GPIO 驱动开发流程 (以 LED 为例)
   • 时钟使能: 配置CCM(Clock Control Module) 寄存器，打开对应外设的时钟门控。
   • 引脚复用 (IOMUX): 配置IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_xxx寄存器，将引脚功能设置为 GPIO。
   • 电气属性配置: 配置IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_xxx寄存器，设置驱动能力、上下拉等。
   • GPIO 方向设置: 配置GPIOx_GDIR寄存器，设置为输出模式。
   • GPIO 数据操作: 通过GPIOx_DR寄存器进行置位（开灯）、清零（关灯）或异或（翻转）操作。
4. BSP (Board Support Package) 工程管理
   • 分层架构:
     • project/: 存放main.c,start.S等主程序文件。
     • imx6ull/: 存放 SoC 相关的官方头文件。
     • bsp/: 存放板级外设驱动模块（如led.c/h,beep.c/h）。
   • 优点: 模块化、可重用、易于维护。
5. 蜂鸣器 (BEEP) 驱动
   • 原理：通过 GPIO 控制 PNP 三极管（如 S8550）的基极，从而控制蜂鸣器的通断。高电平导通，蜂鸣器响。