第二课：处理器深度初始化与printf实现
项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ra/raspberry-pi-os 本课程深入探讨了ARMv8架构的异常级别(EL)切换机制，详细解析了从EL3到EL1的完整初始化流程，包括关键系统寄存器(SCTLR_EL1、HCR_EL2、SCR_EL3、SPSR_EL3)的配置原理。同时实现了自定义printf函数，采用模块化设计支持多种格式化输出，包括数字转换算法、格式化解析器和硬件输出适配层，为嵌入式系统提供轻量级调试输出能力。此外，课程还涵盖了内存管理单元(MMU)的初步配置和工具函数库(utils.S)的实现，为操作系统核心功能奠定基础。
ARM架构异常级别(EL)切换机制
ARMv8架构引入了异常级别(Exception Levels, EL)的概念，这是现代处理器安全隔离机制的核心。异常级别定义了处理器执行的特权级别，从最高特权的EL3到最低特权的EL0，每个级别都有不同的权限和能力集。
异常级别层次结构
ARMv8架构定义了四个异常级别，形成一个层次化的特权模型：
每个异常级别都有特定的用途和权限限制：
| 异常级别 | 主要用途 | 权限特点 |
|---|---|---|
| EL3 | 安全监控、可信执行环境 | 最高特权，可访问所有系统资源 |
| EL2 | 虚拟化、Hypervisor | 管理虚拟机，隔离客户操作系统 |
| EL1 | 操作系统内核 | 系统调用、内存管理、进程调度 |
| EL0 | 用户应用程序 | 最低特权，受限资源访问 |
异常级别切换原理
在ARM架构中，异常级别的切换遵循严格的规则。程序无法自行提升其异常级别，必须通过异常处理机制来实现级别切换。当发生异常时，处理器会自动执行以下操作：
- 保存返回地址：当前指令地址保存到
ELR_ELn寄存器 - 保存处理器状态：当前状态保存到
SPSR_ELn寄存器 - 切换到更高异常级别：跳转到对应的异常向量表
- 执行异常处理程序：在更高特权级别运行处理代码
RPi OS中的EL切换实现
在Raspberry Pi OS中，从EL3切换到EL1的实现代码如下：
#include "arm/sysregs.h"
.section ".text.boot"
master:
ldr x0, =SCTLR_VALUE_MMU_DISABLED
msr sctlr_el1, x0
ldr x0, =HCR_VALUE
msr hcr_el2, x0
ldr x0, =SCR_VALUE
msr scr_el3, x0
ldr x0, =SPSR_VALUE
msr spsr_el3, x0
adr x0, el1_entry
msr elr_el3, x0
eret
关键系统寄存器配置
1. SCTLR_EL1 - 系统控制寄存器
控制EL1级别的处理器行为，包括MMU、缓存等设置：
#define SCTLR_RESERVED (3 << 28) | (3 << 22) | (1 << 20) | (1 << 11)
#define SCTLR_EE_LITTLE_ENDIAN (0 << 25)
#define SCTLR_I_CACHE_DISABLED (0 << 12)
#define SCTLR_D_CACHE_DISABLED (0 << 2)
#define SCTLR_MMU_DISABLED (0 << 0)
2. HCR_EL2 - Hypervisor配置寄存器
配置EL2级别的虚拟化设置，特别是执行状态控制：
#define HCR_RW (1 << 31) // EL1执行状态为AArch64
#define HCR_VALUE HCR_RW
3. SCR_EL3 - 安全配置寄存器
控制安全状态和较低级别的执行环境：
#define SCR_RESERVED (3 << 4)
#define SCR_RW (1 << 10) // 下级级别使用AArch64
#define SCR_NS (1 << 0) // 非安全状态
#define SCR_VALUE (SCR_RESERVED | SCR_RW | SCR_NS)
4. SPSR_EL3 - 保存的程序状态寄存器
定义异常返回后的处理器状态：
#define SPSR_MASK_ALL (7 << 6) // 屏蔽所有中断
#define SPSR_EL1h (5 << 0) // EL1使用专用栈指针
#define SPSR_VALUE (SPSR_MASK_ALL | SPSR_EL1h)
异常级别切换流程
异常级别检测机制
在切换到目标异常级别后，可以通过读取CurrentEL系统寄存器来验证当前级别：
.globl get_el
get_el:
mrs x0, CurrentEL ; 读取当前异常级别
lsr x0, x0, #2 ; 右移2位获取级别值
ret
对应的C语言调用：
int el = get_el();
printf("Exception level: %d \r\n", el);
安全考虑与最佳实践
异常级别切换是系统安全的基础，需要遵循以下最佳实践：
- 最小权限原则：操作系统应在满足功能需求的最低特权级别运行
- 状态完整性：确保异常处理前后处理器状态的正确保存和恢复
- 中断管理：在级别切换期间适当屏蔽中断，避免竞态条件
- 寄存器验证：切换完成后验证关键系统寄存器的配置值
通过精心设计的异常级别切换机制，Raspberry Pi OS能够在适当的特权级别运行，为后续的内存管理、进程隔离和系统调用等功能奠定坚实基础。这种层次化的安全模型是现代操作系统设计的核心，确保了系统的稳定性和安全性。
自定义printf函数实现与格式化输出
在嵌入式系统开发中，一个功能完备的printf函数对于调试和信息输出至关重要。Raspberry Pi OS第二课中实现了一个轻量级的自定义printf函数，专门为裸机环境设计，具有代码体积小、功能实用、可定制性强等特点。
printf函数架构设计
自定义printf实现采用了模块化设计，主要包含以下几个核心组件：
// 函数指针类型定义
typedef void (*putcf) (void*,char);
// 全局输出函数指针和参数
static putcf stdout_putf;
static void* stdout_putp;
// 核心格式化函数
void tfp_format(void* putp, putcf putf, char *fmt, va_list va);
void tfp_printf(char *fmt, ...);
void tfp_sprintf(char* s, char *fmt, ...);
数字转换算法实现
printf核心功能之一是数字到字符串的转换，支持十进制、十六进制等多种进制：
数字转换的核心算法采用除数预处理方式，首先确定最大除数，然后逐位提取数字：
static void ui2a(unsigned int num, unsigned int base, int uc, char *bf)
{
int n = 0;
unsigned int d = 1;
// 计算最大除数
while (num/d >= base)
d *= base;
// 逐位提取数字
while (d != 0) {
int dgt = num / d;
num %= d;
d /= base;
if (n || dgt > 0 || d == 0) {
*bf++ = dgt + (dgt < 10 ? '0' : (uc ? 'A' : 'a') - 10);
++n;
}
}
*bf = 0; // 字符串终止
}
格式化解析器实现
格式化字符串解析是printf的核心功能，支持多种格式说明符和修饰符：
支持的格式说明符包括：
| 格式符 | 描述 | 支持的数据类型 |
|---|---|---|
| %d | 有符号十进制整数 | int, long |
| %u | 无符号十进制整数 | unsigned int, unsigned long |
| %x | 小写十六进制 | unsigned int, unsigned long |
| %X | 大写十六进制 | unsigned int, unsigned long |
| %c | 单个字符 | char |
| %s | 字符串 | char* |
| %% | 百分号字符 | - |
输出宽度控制和填充
printf实现了字段宽度控制和零填充功能：
static void putchw(void* putp, putcf putf, int n, char z, char* bf)
{
char fc = z ? '0' : ' '; // 选择填充字符
char ch;
char* p = bf;
// 计算字符串实际长度
while (*p++ && n > 0)
n--;
// 输出前导填充字符
while (n-- > 0)
putf(putp, fc);
// 输出字符串内容
while ((ch = *bf++))
putf(putp, ch);
}
可变参数处理
使用标准C库的va_list机制处理可变参数：
void tfp_printf(char *fmt, ...)
{
va_list va;
va_start(va, fmt);
tfp_format(stdout_putp, stdout_putf, fmt, va);
va_end(va);
}
硬件输出适配层
printf设计为与硬件无关，通过函数指针实现输出适配：
// 初始化printf输出函数
void init_printf(void* putp, void (*putf)(void*, char))
{
stdout_putf = putf;
stdout_putp = putp;
}
// UART输出函数实现
void putc(void* p, char c)
{
uart_send(c);
}
性能优化特性
该printf实现具有多个优化特性：
- 代码体积小：整个实现约200行代码
- 内存占用低：仅使用少量栈空间和静态变量
- 可配置性：通过宏定义控制功能支持
- 可重入性：可在中断环境中安全使用
使用示例
在Raspberry Pi OS中的典型使用方式：
// 初始化UART和printf
uart_init();
init_printf(0, putc);
// 输出调试信息
int exception_level = get_el();
printf("Exception level: %d \r\n", exception_level);
printf("Hex value: 0x%08X \r\n", 0x1234ABCD);
printf("String: %s, Char: %c \r\n", "Hello", 'A');
扩展性设计
printf实现支持通过编译时宏进行功能扩展：
# 支持long类型数字（会增加代码体积）
PRINTF_LONG_SUPPORT = 1
# 编译时定义宏
COPS += -DPRINTF_LONG_SUPPORT
这种自定义printf实现为嵌入式系统开发提供了强大而灵活的调试输出能力，既保证了功能的完整性，又兼顾了资源受限环境的特殊需求。
内存管理单元初步配置与使用
在操作系统开发中，内存管理单元（MMU）是处理器架构中的核心组件，负责虚拟内存到物理内存的地址转换、内存保护以及缓存控制等功能。在Raspberry Pi OS的第二课中，我们虽然尚未启用完整的虚拟内存功能，但已经为MMU的配置和使用奠定了重要基础。
MMU基本概念与架构
ARMv8架构的MMU通过多级页表机制实现虚拟地址到物理地址的转换。在RPi OS的当前阶段，我们主要关注MMU的控制寄存器配置，为后续完整的虚拟内存管理做好准备。
MMU的核心控制通过系统控制寄存器（SCTLR_EL1）实现，该寄存器包含多个关键配置位：
// SCTLR_EL1 关键配置位定义
#define SCTLR_RESERVED (3 << 28) | (3 << 22) | (1 << 20) | (1 << 11)
#define SCTLR_EE_LITTLE_ENDIAN (0 << 25) // EL1小端模式
#define SCTLR_EOE_LITTLE_ENDIAN (0 << 24) // EL0小端模式
#define SCTLR_I_CACHE_DISABLED (0 << 12) // 指令缓存禁用
#define SCTLR_D_CACHE_DISABLED (0 << 2) // 数据缓存禁用
#define SCTLR_MMU_DISABLED (0 << 0) // MMU禁用
#define SCTLR_MMU_ENABLED (1 << 0) // MMU启用
#define SCTLR_VALUE_MMU_DISABLED (SCTLR_RESERVED | SCTLR_EE_LITTLE_ENDIAN |
SCTLR_I_CACHE_DISABLED | SCTLR_D_CACHE_DISABLED |
SCTLR_MMU_DISABLED)
内存管理初始化流程
在RPi OS的启动过程中，内存管理的初始化遵循严格的顺序，确保系统在进入EL1异常级别时具备正确的内存配置状态。
内存区域定义与布局
在第二课中，RPi OS定义了基本的内存区域和常量，为后续的内存管理功能提供基础框架：
// 内存页相关常量定义
#define PAGE_SHIFT 12 // 页大小移位(4KB)
#define TABLE_SHIFT 9 // 页表移位
#define SECTION_SHIFT (PAGE_SHIFT + TABLE_SHIFT) // 段移位
#define PAGE_SIZE (1 << PAGE_SHIFT) // 页大小: 4096字节
#define SECTION_SIZE (1 << SECTION_SHIFT) // 段大小: 2MB
#define LOW_MEMORY (2 * SECTION_SIZE) // 低端内存: 4MB
这些定义为后续的页表管理和内存分配奠定了基础。LOW_MEMORY常量特别重要，它定义了操作系统可用的初始内存区域大小。
内存清零操作实现
在进入EL1后，系统首先执行内存清零操作，确保.bss段（未初始化数据段）的初始状态正确：
.globl memzero
memzero:
str xzr, [x0], #8 ; 存储零值并递增地址
subs x1, x1, #8 ; 减少剩余字节数
b.gt memzero ; 如果大于零则继续循环
ret ; 返回
这个简单的汇编函数使用零寄存器（xzr）来高效地清零指定内存区域，每8字节进行一次操作。
栈内存初始化
在内存管理单元配置完成后，系统需要设置合适的栈空间：
el1_entry:
adr x0, bss_begin ; 获取.bss段起始地址
adr x1, bss_end ; 获取.bss段结束地址
sub x1, x1, x0 ; 计算.bss段大小
bl memzero ; 清零.bss段
mov sp, #LOW_MEMORY ; 设置栈指针到低端内存顶部
bl kernel_main ; 跳转到主内核函数
栈指针被设置为LOW_MEMORY（4MB）位置，这为内核执行提供了足够的栈空间。
链接器脚本内存布局
内存布局通过链接器脚本定义，确保各个段正确放置：
SECTIONS
{
.text.boot : { *(.text.boot) } ; 启动代码段
.text : { *(.text) } ; 代码段
.rodata : { *(.rodata) } ; 只读数据段
.data : { *(.data) } ; 数据段
. = ALIGN(0x8); ; 8字节对齐
bss_begin = .; ; .bss段开始
.bss : { *(.bss*) } ; 未初始化数据段
bss_end = .; ; .bss段结束
}
MMU配置状态管理
在当前的实现中，MMU处于禁用状态，但相关的配置寄存器已经正确设置：
| 寄存器 | 功能描述 | 当前配置状态 |
|---|---|---|
| SCTLR_EL1 | 系统控制寄存器 | MMU禁用，缓存禁用，小端模式 |
| HCR_EL2 | Hypervisor配置寄存器 | 设置EL1执行状态 |
| SCR_EL3 | 安全配置寄存器 | 非安全世界配置 |
| SPSR_EL3 | 保存程序状态寄存器 | 中断屏蔽，EL1h模式 |
这种配置为后续启用完整虚拟内存功能提供了清晰的迁移路径。当需要在后续课程中启用MMU时，只需修改SCTLR_MMU_DISABLED为SCTLR_MMU_ENABLED并配置相应的页表即可。
通过这样的初步配置，RPi OS建立了稳健的内存管理基础，为后续实现完整的虚拟内存管理、内存保护和多任务环境做好了充分准备。这种渐进式的开发方法确保了每个阶段的功能都得到充分验证，降低了系统复杂度。
工具函数库utils.S的实现细节
在Raspberry Pi OS的第二课中，utils.S汇编文件扮演着至关重要的角色，它提供了一系列底层硬件操作的基础工具函数。这些函数虽然简洁，但却是操作系统内核与硬件交互的核心桥梁，为后续更复杂的功能实现奠定了坚实基础。
核心函数功能解析
异常级别检测函数 get_el
.globl get_el
get_el:
mrs x0, CurrentEL
lsr x0, x0, #2
ret
这个函数通过读取CurrentEL系统寄存器来获取当前处理器的异常级别。ARMv8架构使用2位编码来表示异常级别：
| 异常级别 | 二进制值 | 十进制值 |
|---|---|---|
| EL0 | 00 | 0 |
| EL1 | 01 | 1 |
| EL2 | 10 | 2 |
| EL3 | 11 | 3 |
由于CurrentEL寄存器的值存储在第2和第3位，需要通过右移2位操作来获取实际的异常级别数值。
内存读写操作函数
put32 - 32位数据写入函数
.globl put32
put32:
str w1,[x0]
ret
get32 - 32位数据读取函数
.globl get32
get32:
ldr w0,[x0]
ret
这两个函数提供了对内存映射I/O设备的底层访问能力，使用ARM64的加载存储指令：
str w1, [x0]: 将32位寄存器w1的值存储到x0指定的内存地址ldr w0, [x0]: 从x0指定的内存地址加载32位数据到w0寄存器
精确延时函数 delay
.globl delay
delay:
subs x0, x0, #1
bne delay
ret
这个简单的循环延时函数通过递减计数器实现精确的指令周期延时，特别适用于硬件初始化时的时序要求。
函数调用关系与数据流
通过分析代码调用关系，我们可以看到这些工具函数在整个系统中的作用：
硬件寄存器操作模式
这些工具函数主要操作以下几类硬件寄存器：
| 寄存器类型 | 操作函数 | 用途示例 |
|---|---|---|
| 状态寄存器 | get32 | 读取UART线路状态寄存器 |
| 控制寄存器 | put32 | 配置GPIO功能选择寄存器 |
| 数据寄存器 | put32/get32 | UART数据收发寄存器 |
| 系统寄存器 | 专用指令 | 获取异常级别信息 |
汇编指令深度解析
MRS指令 - 系统寄存器读取
mrs x0, CurrentEL
这条指令将CurrentEL系统寄存器的值读取到通用寄存器x0中，是ARMv8架构中访问系统寄存器的标准方式。
内存访问指令变体
str w1, [x0] // 基址寄存器寻址
ldr w0, [x0] // 基址寄存器寻址
ARM64架构支持多种内存寻址模式，这里使用的是最简单的基址寄存器寻址模式。
实际应用场景分析
在mini_uart.c驱动中，这些工具函数被广泛使用：
// 检查发送缓冲区是否就绪
if(get32(AUX_MU_LSR_REG)&0x20) {
// 发送字符
put32(AUX_MU_IO_REG, c);
}
// GPIO功能配置
selector = get32(GPFSEL1);
selector &= ~(7<<12); // 清除GPIO14
selector |= 2<<12; // 设置GPIO14为ALT5
selector &= ~(7<<15); // 清除GPIO15
selector |= 2<<15; // 设置GPIO15为ALT5
put32(GPFSEL1, selector);
// 精确延时控制
put32(GPPUD, 0);
delay(150);
put32(GPPUDCLK0, (1<<14)|(1<<15));
delay(150);
性能优化考虑
虽然这些函数实现简洁，但在性能关键路径上需要注意：
- 函数调用开销：每个函数调用都有额外的跳转和返回指令开销
- 寄存器使用：x0寄存器既用作参数传递又用作返回值
- 内存访问对齐：32位访问要求地址4字节对齐
对于性能敏感的场景，可以考虑内联汇编或者编译器内联优化来减少函数调用开销。
错误处理与边界条件
当前实现假设所有输入参数都是有效的，在实际生产环境中需要添加：
- 地址对齐检查
- 空指针检测
- 超时处理机制
- 错误返回值设计
这些基础工具函数虽然简单，但为整个操作系统的硬件抽象层提供了坚实的技术基础，使得上层代码能够以统一的方式访问各种硬件资源，大大提高了代码的可维护性和可移植性。
总结
本课程系统性地讲解了ARM处理器深度初始化的关键技术，包括异常级别切换机制、系统寄存器配置、自定义printf实现、内存管理基础以及底层工具函数库。通过精心设计的代码实现和详细的原理分析，建立了从硬件底层到系统层的完整知识体系。这些基础组件不仅为Raspberry Pi OS提供了核心功能支持，也为后续课程中的内存管理、进程调度和系统调用等高级特性奠定了坚实的技术基础。课程内容体现了现代操作系统开发中硬件抽象与软件设计紧密结合的特点，强调了性能优化、安全考虑和可扩展性设计的重要性。
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
