第008课 第1个ARM裸板程序及引申(部分免费)

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：

1. 看原理图，确定控制LED的引脚;
2. 看主芯片的芯片手册，确定如何设置控制这个引脚;
3. 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： ① 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。

②Nand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 <_start>:
   0:	e59f1014 	ldr	r1, [pc, #20]	; 1c <.text+0x1c>
   4:	e3a00c01 	mov	r0, #256	; 0x100
   8:	e5810000 	str	r0, [r1]
   c:	e59f100c 	ldr	r1, [pc, #12]	; 20 <.text+0x20>
  10:	e3a00000 	mov	r0, #0	; 0x0
  14:	e5810000 	str	r0, [r1]

00000018 <halt>:
  18:	eafffffe 	b	18 <halt>
  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。

010节_完善LED程序_编写按键程序

在上一节视频里，我们编写的程序代码是先点亮led1，然后延时一会，再点亮led2，进入死循环。 但在开发板上的实际效果是led1先亮，延时一会，led2再亮，然后一会之后，led1再次亮了。 这和我们的设计的代码流程不吻合，这是因为2440里面有个看门狗定时器，开发板上电后，需要在一定时间内“喂狗”（设置相应的寄存器），负责就会重启开发板。之所以这样设计，是为了让芯片出现死机时，能够自己复位，重新运行。

这里我们写个led灯循环的程序，步骤如下：

1. 这里暂时用不到看门狗，先关闭看门狗，从参考手册可知，向0x53000000寄存器写0即可关闭看门狗；
2. 设置内存的栈，通过写读操作来判断是Nand Flash还是Nor Flash;
3. 设置GPFCON让GPF4/5/6配置为输出引脚;
4. 循环点灯，依次设置GPFDAT寄存器；

完整代码如下：

.text
.global _start

_start:

	/* 关闭看门狗 */
	ldr r0, =0x53000000
	ldr r1, =0
	str r1, [r0]

	/* 设置内存: sp 栈 */
	/* 分辨是nor/nand启动
	 * 写0到0地址, 再读出来
	 * 如果得到0, 表示0地址上的内容被修改了, 它对应ram, 这就是nand启动
	 * 否则就是nor启动
	 */
	mov r1, #0
	ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */
	str r1, [r1] /* 0->[0] */ 
	ldr r2, [r1] /* r2=[0] */
	cmp r1, r2   /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */
	ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假设是nor启动 */
	moveq sp, #4096  /* nand启动 */
	streq r0, [r1]   /* 恢复原来的值 */
	

	bl main

halt:
	b halt

led.c

void delay(volatile int d)
{
	while (d--);
}

int main(void)
{
	volatile unsigned int *pGPFCON = (volatile unsigned int *)0x56000050;
	volatile unsigned int *pGPFDAT = (volatile unsigned int *)0x56000054;
	int val = 0;  /* val: 0b000, 0b111 */
	int tmp;

	/* 设置GPFCON让GPF4/5/6配置为输出引脚 */
	*pGPFCON &= ~((3<<8) | (3<<10) | (3<<12));
	*pGPFCON |=  ((1<<8) | (1<<10) | (1<<12));

	/* 循环点亮 */
	while (1)
	{
		tmp = ~val;
		tmp &= 7;
		*pGPFDAT &= ~(7<<4);
		*pGPFDAT |= (tmp<<4);
		delay(100000);
		val++;
		if (val == 8)
			val =0;
		
	}

	return 0;
}

2440里面有很多寄存器，如果每次对不同的寄存器进行查询和操作会很麻烦，因此可以先提前定义成宏，做成一个头文件，每次调用就行。

再举一个按键控制LED的程序，，步骤如下：

1. 这里暂时用不到看门狗，先关闭看门狗，从参考手册可知，向0x53000000寄存器写0即可关闭看门狗；
2. 设置内存的栈，通过写读操作来判断是Nand Flash还是Nor Flash;
3. 设置GPFCON让GPF4/5/6配置为输出引脚;
4. 设置3个按键引脚为输入引脚;
5. 循环执行，读取按键引脚值，点亮对应的led灯；

完整代码如下：

#include "s3c2440_soc.h"

void delay(volatile int d)
{
	while (d--);
}

int main(void)
{
	int val1, val2;
	
	/* 设置GPFCON让GPF4/5/6配置为输出引脚 */
	GPFCON &= ~((3<<8) | (3<<10) | (3<<12));
	GPFCON |=  ((1<<8) | (1<<10) | (1<<12));

	/* 配置3个按键引脚为输入引脚:
	 * GPF0(S2),GPF2(S3),GPG3(S4)
	 */
	GPFCON &= ~((3<<0) | (3<<4));  /* gpf0,2 */
	GPGCON &= ~((3<<6));  /* gpg3 */

	/* 循环点亮 */
	while (1)
	{
		val1 = GPFDAT;
		val2 = GPGDAT;

		if (val1 & (1<<0)) /* s2 --> gpf6 */
		{
			/* 松开 */
			GPFDAT |= (1<<6);
		}
		else
		{
			/* 按下 */
			GPFDAT &= ~(1<<6);
		}

		if (val1 & (1<<2)) /* s3 --> gpf5 */
		{
			/* 松开 */
			GPFDAT |= (1<<5);
		}
		else
		{
			/* 按下 */
			GPFDAT &= ~(1<<5);
		}

		if (val2 & (1<<3)) /* s4 --> gpf4 */
		{
			/* 松开 */
			GPFDAT |= (1<<4);
		}
		else
		{
			/* 按下 */
			GPFDAT &= ~(1<<4);
		}

		
	}

	return 0;
}

《《所有章节目录》》

▼ ARM裸机加强版

  第001课 不要再用老方法学习单片机和ARM

  第002课 ubuntu环境搭建和ubuntu图形界面操作(免费)

  第003课 linux入门命令

  第004课 vi编辑器

  第005课 linux进阶命令

  第006课 开发板熟悉与体验(免费)

  第007课 裸机开发步骤和工具使用(免费))

  第008课 第1个ARM裸板程序及引申(部分免费)

  第009课 gcc和arm-linux-gcc和Makefile

  第010课 掌握ARM芯片时钟体系

  第011课 串口(UART)的使用

  第012课 内存控制器与SDRAM

  第013课 代码重定位

  第014课 异常与中断

  第015课 Nor Flash

  第016课 Nand Flash

  第017课 LCD编程

  第018课 ADC和触摸屏

  第019课 I2C

  第020课 SPI裸板

  第021课 MMU和Cache

  第022课 传感器