Linux_kernel下位机03

一、温故知新

        1、搭建开发环境

                1）查询当前环境的编译器

                        gcc -v 发现我们当前Ubuntu环境下使用的gcc编译器是X86的架构，所以我们需要使用交叉编译工具链进行编译程序。

                2）搭建交叉编译工具链

                        【1】获取交叉编译工具链

                                 下载官网：Downloads | GNU-A Downloads – Arm Developer

                        【2】配置环境

vim ~/.bashrc

export PATH=$PATH:/opt/toolchains/arm-cortex_a9-eabi-4.7-eglibc-2.18/bin              

                        【3】验证交叉编译工具是否搭建完成

                                在终端输入arm- + tab键，看是否可以自动补齐

                3）保证下位机可以ping通上位机

                        可以通过网线让上位机和下位机交互数据

                        注意：保证下位机可以ping通上位机

                        【1】修改虚拟机的IP

                                        将虚拟机IP改为静态IP（192.168.1.27）

                        【2】配置虚拟机

                                        选择为桥接模式

                        【3】设置开发板Uboot的IP地址

                                        printenv、print、pr：查看环境变量

                                        setenv：设置环境变量

                                        re：重启Uboot

                        【4】验证下位机可以ping通上位机

                                        ping 192.168.1.27

                4）安装tftpd服务

                        【1】保证上位机可以连接外网

                                        ping www.baidu.com -c3

                        【2】安装tftpd

                                        sudo apt install tftpd（客户端）

                                        sudo apt install tftpd-hpa（服务端）

                        【3】创建tftp下载目录

                                        sudo mkdir /tftpboot

                                        sudo chmod 777 /tftpboot

                        【4】配置tftp服务器

                                        ​

                        【5】重启tftpd服务

                                        sudo service tftpd-hpa restart

                                        或

                                        sudo /etc/init.d/tftpd-hpa restart

                5）验证tftp服务

                        查看是否可以在下位机通过tftp服务从上位机中下载ubootpak.bin

                        【1】把ubootpak.bin文件拷贝到/tftpboot目录中

                                        cp ubootpak.bin /tftpboot

                        【2】保证下位机可以ping通上位机

                                        ping 192.168.1.27 

                        【3】通过tftp下载文件

                                        tftp 0x48000000 ubootpak.bin

                        【4】把内存中的ubootpak.bin写入到EMMC

                                        update_mmc 2 2ndboot 0x48000000 0x200 0x53ba8

                        【5】重启

                                        re

        2、S5P6818的裸板驱动

                从表象到里象的方式进行研究

                        S5P6818上有537个管脚

                        GPIO有160个管脚

                        一共有5组GPIO：GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE

                        每组有32个管脚

                【1】从外观入手

                【2】阅读开发板原理图

                【3】阅读数据手册

                【4】写代码

                【5】编译程序

                【6】烧写程序

二、uboot的操作

        1、Uboot的简介

                uboot就是universal bootloader（通用的启动代码），具有移植性

                uboot是由一个德国工程师发起的开源项目，然后网络上众多的用户共同维护的一个bootloader

                uboot经过很多年的发展，现在大部分的嵌入式电子产品都会选择uboot作为设备的bootloader

                uboot的核心功能

                【1】负责初始化硬件

                【2】负责加载引导操作系统的启动

        2、Uboot的初始化

                uboot的核心功能是初始化各种硬件，但设备在上电初期，内存还没有被初始化，所以我们不能使用C语言初始化硬件，我们使用汇编语言对CPU和cache进行初始化。

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C语言是依靠内存进行执行的，它的正常运行离不开内存的参与

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三、ARM体系结构与编程

        1、多数指令单周期完成

                对于S5P6818芯片来说执行一个指令的周期是：1/1.4GHz

        2、ARM指令集

                大多数ARM核都执行两种指令集

                【1】arm指令集                32bit

                【2】Thumb指令集           16bit

        3、ARM支持的数据类型

                ARM支持 Halfword and signed Halfword / byte

                数据类型和C/C++有很大区别

                        byte                8bit

                        Halfword        16bit(2bytes)

                        Word              32bit(4bytes)

                        Doubleword   64bit(8bytes)<ARM-CORTEX-A系列处理器>

        4、ARM流水线

                1）三级流水线（CPU在处理这条指令时，需要3个步骤）

                        【1】取指：CPU先把指令拿到CPU寄存器中

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CPU的本质就是一堆寄存器，这些寄存器都是32bit的

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                        【2】解码：把指令解释成0和1

                        【3】执行：执行指令

注意
ALU操作	进行算术运算的操作，如：加、减、与、或、非
PC	寄存器的别名，永远保存当前正在执行的指令地址
PC-4	对于ARM指令集来说，寄存器是32bit，一个寄存器占4bytes PC-4是解码指令的地址，PC-8是执行指令的地址
PC-2	对于Thumb指令集来说，寄存器是16bit，一个寄存器占2bytes PC-2是解码指令的地址，PC-4是执行指令的地址

        2）通用寄存器和特殊功能寄存器

                通用寄存器：CPU内部的寄存器(32bit)

                        如：PC寄存器

                特殊功能寄存器：外设中的寄存器(具有特定功能的寄存器-32bit)

                        如：GPIOCALTFN0        GPIOCOUT        GPIOCOUTENB

        3）流水线的不同情况

	一个周期执行一条指令 指令周期数(CPI) = 1 现实生活中不存在， 这是一种理想状态下的流水线
	LDR指令在一个周期内执行不完，需要占用3个周期 要从内存中取出数据到寄存器，处理完成之后，在下一个周期，需要把寄存器中的数据写回到内存中 所以在第4 5个周期没有执行AND指令，而是Stall停顿 虽然第4 5个周期浪费了，但这是有必要的浪费 综上，在第六个周期中实际执行了4条语句 指令周期数(CPI) = 6 / 4 = 1.5
	当执行第一条BL指令时，打断了第2 3条指令(SUB ORR） 跳到0x8FEC执行AND指令 但是ARM没有取指，所以第二个周期先取指 第三个周期进行解码，第四个周期才可以执行
	在第2个周期执行中断，中断打断流水线 在第5个周期执行跳转语句，跳到0xAF00 在第8个周期才开始执行新的语句 所以从2个周期到第8个周期 IRQ中断反应时间最小是7个周期

        5、ARM的工作模式 

                1）介绍

                ARM有7种工作模式：

                        【1】SVC(管理模式)

                                        处理器复位后会进入到该模式

                                        执行软中断指令(SWI)后会进入到该模式（按下复位键）

                        【2】FIQ(快速中断)

                                        发生高优先级中断会进入该模式

                        【3】IRQ(中断)

                                        发生低优先级中断会进入该模式

                        【4】undef(未定义)

                                        用于处理未定义指令

                                        当产生未定义的异常时会进入该模式（在decode解指令时解析错误）

                        【5】abort(终止)

                                        用于处理非正常访问寄存器

                                                        （访问不存在的地址、直接访问4byte以内的数据）

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内存器是按照4bytes方式对齐，无法直接访问4bytes以内的数据

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                        【6】system(系统)

                                        与用户模式共用寄存器的特权模式

                        【3】user(用户)

                                        多数应用程序和系统任务运行在该模式下

                2）第一种分类方式（异常/非异常）

                        前5种模式称为异常模式

                                SVC、FIQ、IRQ、UNDEF、ABORT

                        后2种模式称为非异常模式

                                SYSTEM、USER

                3）第二种分类方式（特权/非特权）

                        前6种模式称为特权模式

                                SVC、FIQ、IRQ、UNDEF、ABORT、SYSTEM

                        后1种模式称为非特权模式

                                USER

        6、ARM的工作状态

                ARM有2种工作状态：

                        【1】ARM工作状态        4bytes        32bit对齐

                        【2】Thumb工作状态     2bytes        16bit对齐

                当执行ARM指令时就处在ARM工作状态

                当执行Thumb指令时就处在Thumb工作状态

        7、ARM的通用寄存器的组织结构

                1）组织结构

                        37个32bit的寄存器(属于普通寄存器，包括以下两个分类)

                        【1】31个通用寄存器

                        【2】6个状态寄存器(包括以下两个分类)

                                【a】1个CPSR（当前程序状态寄存器）

                                【b】5个SPSR（程序状态存储寄存器）

   

USER和SYSTEM模式共用一套寄存器R0-R15	16个
SVC模式共用R0-R12，但有自己的R13、R14	2个
ABORT模式共用R0-R12，但是有自己的R13、R14	2个
UNDEF模式共用R0-R12，但是有自己的R13、R14	2个
IRQ模式共用R0-R12，但是有自己的R13、R14	2个
FIQ模式共用R0-R12，但是有自己的R8-R14	7个
所有模式共用CPSR	1个
异常模式分别有自己的SPSR	5个

        2）CPSR/SPSR寄存器

                CPSR和SPSR寄存器都是32bit的而且内部的组织结构是一模一样的

                【1】CPSR寄存器

                                其可以在任何处理器模式下被访问，它包含以下内容

                                        【a】ALU(算术逻辑单元)状态标志

                                        【b】当前的工作模式

                                        【c】中断使能标志

                                        【d】设置端序

                【2】SPSR寄存器

                                当特定的异常中断发生时，它负责存储CPSR寄存器的内容，当异常处理程序返回时，再把SPSR寄存器中的内容恢复到CPSR寄存器中。

        

bit31	N（negative）	如果指令的结果为负数，则N=1 否则，N=0
bit30	Z（zero）	如果指令的结果为零(一般表示比较的结果)，则Z=1 否则，Z=0
bit29	C（carry）	[1]对于add，如果产生进位，则C=1，否则C=0 [2]对于sub，如果产生借位，则C=0，否则C=1 [3]对于包含移位操作的非add/sub，C为移出的最后一位 [4]对于其他非add/sub，C通常保持不变
bit28	V（overflow）	[1]对于add/sub，如果有符号溢出，则V=1，否则V=0 [2]对于非add/sub，V通常保持不变
注意：C是用于判断进位 / 借位，V是用于判断溢出
bit27	Q（Qflag）	在ARMV5架构及以上版本，bit27用于指示在一些面向DSP的指令是否发生了异常或饱和
bit26~25	Reserved	保留字段
bit24	J（Java）	arm中对Java的编程模型
bit23~20	Reserved	保留字段
bit19~16	GE[3:0]（Greater than or Equal）	大于或等于标志位，主要被SIMD指令使用 SIMD指令允许处理器用一条指令同时对多个数据项执行相同的操作 当SIMD指令执行时，它会对多个数据项进行比较操作（如比较大小），然后将每个比较的结果存储在GE[3:0]中。每个位对应一个数据组的比较结果，如果对应的数据组大于或等于另一个数据组，则相应的GE位被设置为1，否则为0。
bit15~10	Reserved	保留字段
bit9	E（Endianness）	端序标志位，E=0表示小端运算，E=1表示大端运算 大端模式（Big-Endian）：在这种模式下，数据的高位字节存放在内存的低地址端，而数据的低位字节存放在内存的高地址端。 小端模式（Little-Endian）：与大端模式相反，小端模式下数据的低位字节存放在内存的低地址端，而数据的高位字节存放在内存的高地址端。
bit8	A	用于控制是否屏蔽特定的异步异常，即是否屏蔽异步中止（Abort）。 A=1表示屏蔽异步终止 A=0表示打开异步终止
bit7	I	用于控制是否屏蔽IRQ（普通中断请求） I=1表示屏蔽普通中断 I=0表示打开普通中断
bit6	F	用于控制是否屏蔽FIQ（快速中断请求） F=1表示屏蔽快速中断 F=0表示打开快速中断
bit5	T	判断处理器是否处于Thumb状态 J和T标志共同决定处理器使用的指令集 J=0 T=0         ARM指令集 J=0 T=1         Thumb指令集 J=1 T=0         Java指令集 J=1 T=1         Thumb-2指令集
bit4~0	M[4:0]（Mode）	表示处理器的模式 10000        User                 用户模式 10001        FIQ                   快速中断模式 10010        IRQ                   中断模式 10011        Supervisor        管理模式 10100        Abort                 中止模式 11011        Undefined         未定义模式 11111        System              系统模式 （新版的V8架构中bit4保留，默认是1，bit3~0表示模式）

        3）通用寄存器

                【1】不分组寄存器R0-R7

                        不分组寄存器R0-R7是真正的通用寄存器，所有模式共用的寄存器，没有特殊含义 

                【2】分组寄存器R8-R14

                        分组寄存器R8-R14取决于当前的处理器模式，每种模式都有自己专用的分组寄存器

                                寄存器R8-R14可分为两组寄存器

                                        【a】一组用于FIQ模式，该组寄存器允许快速中断处理

                                        【b】一组用于除FIQ以外的其他模式

                                        分组寄存器R13 R14在异常模式中都是独立的

                【3】寄存器R13 SP(stack pointer)

                        【a】处理器使用sp作为指向栈的指针

                        【b】在Thumb指令集中，大多数指令不能访问sp

                        【c】每种模式都有自己的栈，使用前初始化栈，模式切换时，公公寄存器的内容保存到SP指向的栈中，用来保护上下文，恢复时可以从栈中恢复

                        【b】汇编代码里可以直接写SP代替R13

                【4】寄存器R14 LR(link register)

                        【a】链接寄存器是一个特殊的存起，可以保存返回链接的信息

                        【b】执行BL跳转指令前，将寄存器R15的内容保存到LR中，然后可以执行跳转，如果子程序执行完成后需要返回，就将LR的内容恢复到R15寄存器中

                        【c】当软件不需要LR进行链接时，LR寄存器也可以存储其他的内容

                        【d】汇编代码里可以直接写LR代替R14

                【5】寄存器R15 PC(program counter)

                        【a】寄存器PC并不是指向当前正在运行的地址，而是指向正在取指的地址，每次完成取指操作后，PC会自动偏移4个字节，指向下一条指令。

                        【b】执行ARM指令时，PC的值是当前指令的地址偏移8字节（三级流水线）

                        【c】执行Thumb指令时，PC的值是当前指令的地址偏移4字节（三级流水线）

                        【d】如果将地址写入到PC寄存器中，会跳转到该地址

                        【e】汇编代码里可以直接写PC代替R15

        8、异常向量表

                异常向量表存放的是异常处理函数（中断处理函数）的函数名（入口地址）

                这个异常向量表是ARM公司提供的

                当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，该现象称之为异常，例如我们在处理一个外部的中断请求时，在处理异常之前，当前处理器的状态必须保存，这样当异常处理完成之后，当前程序可以继续执行，处理器允许多个异常同时发生，在处理异常时，会按照固定的优先级进行处理

        1）异常类型               

【1】复位	产生复位异常时，程序跳转到复位处理的程序执行
【2】未定义指令	遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常
【3】软件中断	执行SWI指令时产生，用于用户模式下的程序调用特权操作指令
【4】指令预取终止	处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，会产生指令预取中止
【5】数据中止	处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，会产生数据中止
【6】IRQ	外部中断请求有效，并且CPSR中的 I 位为0时，产生IRQ异常
【7】FIQ	快速中断请求有效，并且CPSR中的 F 位为0时，产生FIQ异常

        2）当异常发生时的操作

                当异常发生时，ARM核将完成

                        【1】复制CPSR到SPSR

                        【2】何止CPSR合适的bit

                                【a】切换到ARM状态

                                【b】切换到异常模式 

                                【c】禁止中断（当切换模式时，不允许打开中断）

                        【3】存储返回地址到LR

                        【4】设置PC为相应的异常处理函数的入口

        3）从异常中返回

                【1】把SPSR中的内容恢复到CPSR

                【2】把LR寄存器中的内容恢复到PC

        4）中断

                中断是CPU CORE感知外部事件变化的一种方式

                轮询、中断、DMA

        中断分为三级：

                中断源级

                中断控制器级

                arm core级