树莓派4裸机操作系统开发指南：Part3 Hello World实现

树莓派4裸机操作系统开发指南：Part3 Hello World实现

rpi4-osdev Tutorial: Writing a "bare metal" operating system for Raspberry Pi 4 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/rp/rpi4-osdev

前言

在裸机开发领域，实现"Hello World"是一个重要的里程碑。本文将详细介绍如何在树莓派4上通过UART串口通信实现这一经典示例，让开发者能够验证自己的操作系统确实在硬件上运行。

UART串口通信基础

UART(通用异步收发传输器)是一种简单的串行通信协议，只需要两根数据线(TX和RX)就能实现双向通信。在嵌入式开发中，UART常用于调试和基础输入输出，因为它不依赖复杂的显示设备。

树莓派4的GPIO引脚中，GPIO14(TXD)和GPIO15(RXD)专门用于UART通信。通过这两个引脚，我们可以将树莓派与开发计算机连接，实现简单的文本输出。

硬件准备

要实现这个示例，需要以下硬件：

1. USB转TTL串口线(推荐PL2303或CP2102芯片)
2. 杜邦线若干(用于连接树莓派GPIO)

连接方式如下：

• 串口线的GND接树莓派的GND(引脚6)
• 串口线的RX接树莓派的TXD(引脚8/GPIO14)
• 串口线的TX接树莓派的RXD(引脚10/GPIO15)

注意：不要连接电源线(VCC)，树莓派应使用独立电源供电。

软件配置

开发计算机端

在开发计算机上需要：

1. 安装串口驱动
2. 配置终端软件(PuTTY或类似工具)：
   • 波特率：115200
   • 数据位：8
   • 停止位：1
   • 校验位：无
   • 流控：无

树莓派端

需要在SD卡的config.txt文件中添加：

core_freq_min=500

这行配置确保UART通信的时钟频率稳定，避免因CPU频率变化导致通信错误。

代码实现

项目结构

项目包含三个主要文件：

1. kernel.c - 主程序入口
2. io.h - 硬件IO函数声明
3. io.c - 硬件IO函数实现

主程序(kernel.c)

#include "io.h"

void main()
{
    uart_init();  // 初始化UART
    uart_writeText("Hello world!\n");  // 输出文本
    while (1);  // 无限循环
}

头文件(io.h)

void uart_init();
void uart_writeText(char *buffer);

硬件操作实现(io.c)

io.c文件包含两个主要部分：

1. GPIO控制：

   • 定义了GPIO相关寄存器的内存映射地址
   • 实现了GPIO引脚功能设置、上下拉配置等基础操作

2. UART驱动：

   • 定义了UART相关寄存器的内存映射地址
   • 实现了UART初始化、字节发送和字符串输出功能

关键函数说明：

• uart_init()：配置UART为115200波特率，8位数据，无校验
• uart_writeByteBlockingActual()：阻塞式发送单个字节
• uart_writeText()：发送字符串，自动处理换行符转换

编译与测试

1. 使用make工具编译项目
2. 将生成的kernel8.img复制到SD卡
3. 连接串口线并启动终端软件
4. 给树莓派上电

如果一切正常，终端窗口将显示"Hello world!"消息，证明操作系统成功运行并能够进行硬件交互。

技术要点解析

1. 内存映射IO(MMIO)：

   • 通过直接读写特定内存地址来访问硬件寄存器
   • 使用volatile关键字确保编译器不会优化掉这些关键操作

2. GPIO复用功能：

   • 树莓派的GPIO14/15默认不是UART功能
   • 需要通过GPIO功能选择寄存器将其设置为ALT5功能

3. UART配置：

   • 需要正确设置波特率分频器
   • 配置数据格式(8位数据，无校验)
   • 启用发送和接收功能

总结

通过本教程，我们实现了：

1. 树莓派4的UART硬件初始化
2. 简单的字符串输出功能
3. 开发计算机与树莓派的串口通信

这为后续更复杂的操作系统开发奠定了坚实基础。在下一部分中，我们将深入探讨UART的工作原理和更高效的实现方式。

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