9. 從0學ARM Cortex-A9 LED彙編、C語言驅動編寫
0. 前言
一般我們購買一個開發板，廠家都會給出對應的電路圖檔案，我們可以通過搜尋對應名稱來查詢到對應的外設。對於驅動工程師來說，我們只需要知道外設與SOC互動的一些資料線和訊號線即可。
用主控晶片控制這些外設的一般步驟：
- 看電路原理圖，弄明白主控晶片和外設是怎麼連線的，對於驅動工程師來說，主要是看外設的一些clk、資料引腳、控制引腳是如何連線的；
- 外設一般都會連線到SOC的1個或者多個控制器上，比如i2c、spi、gpio等，有的是資料線有的是訊號線，中斷線等；
- 根據電路連線和需求對主控晶片進行設定，往往對外設的設定都是通過暫存器操作實現；
- 書寫相應程式碼，實現功能，不同型別的外設，程式碼結構也不盡相同，比如按鍵，我們既可以通過輪詢方式讀取按鍵資訊，也可以通過中斷方式來讀取。
下面我們就以華清遠見的fs4412開發板為例來看如何編寫led的裸機程式。
SOC exynos 4412 datahseet 下載地址：
https://download.csdn.net/download/daocaokafei/12533438
一、LED燈電路圖
通過後續的章節的一些常用外設的分析，相信大家會掌握如何查閱電路圖。
首先看下led電路圖：
- 該板子有4個LED，是發光二極體，有電流是為藍色；
- led都接了上拉電阻；
- 三極體的基極接了SOC的某個GPIO引腳；
- 比如GPX1_0,當該引腳為高電平是，三極體pn結導通，於是LED3兩側就有了電勢差，LED3被點亮，如果該引腳為低電平，pn結截止，LED3兩側就沒有了電勢差，LED3熄滅。
下面是CPU核訪問GPIO控制器的資料通路：
- AHB：高速匯流排
- APB Bridge:APB匯流排橋
- APB：外設匯流排，低速匯流排
- GPIO掛載在APB總線上
由上圖可知，cpu要訪問GPIO的暫存器需要經過的路徑。
二、GPIO
GPIO（General Purpose I/O Ports）意思為通用輸入/輸出埠，通俗地說，就是一些引腳，可以通過它們輸出高低電平或者通過它們讀入引腳的狀態-是高電平或是低電平。
使用者可以通過GPIO口和硬體進行資料互動(如UART)，控制硬體工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬體的工作狀態訊號（如中斷訊號）等。GPIO口的使用非常廣泛。
1. GPIO的優點
- 低功耗：GPIO具有更低的功率損耗(大約1µA，µC的工作電流則為100µA)。
- 整合I²C從機介面：GPIO內建I²C從機介面，即使在待機模式下也能夠全速工作。
- 小封裝：GPIO器件提供最小的封裝尺寸—3mm x 3mm QFN!
- 低成本：您不用為沒有使用的功能買單！
- 快速上市：不需要編寫額外的程式碼、文件，不需要任何維護工作！
- 靈活的燈光控制：內建多路高解析度的PWM輸出。
- 可預先確定響應時間：縮短或確定外部事件與中斷之間的響應時間。
- 更好的燈光效果：匹配的電流輸出確保均勻的顯示亮度。
- 佈線簡單：僅需使用2條I²C匯流排或3條SPI匯流排。
2. exynos4412 GPIO特性
- 172 個外部中斷
- 32個外部可喚醒中斷
- 252個多功能 input/output ports
- 在休眠模式下也可以控制GPIO引腳，但不包括 GPX0, GPX1, GPX2, and GPX3
3. 6 General Purpose Input/Output (GPIO) Control
Exynos 4412 SCP 包括304個多功能 input/output埠引腳和164 儲存埠引腳. 總共 37
個埠分組和兩個儲存埠分組.。
下圖為GPIO模組圖：
三、如何操作GPIO？
主要通過暫存器來操作GPIO引腳。
GPxCON用於選擇引腳功能，GPxDAT用於讀/寫引腳資料；另外，GPxUP用於確定是否使用內部上拉電阻。其中x為A、B…..H、J等。
1. GPxCON暫存器
從暫存器的名字可以看出，它用於配置（Configure）-選擇引腳功能。
LED3是連線到GPX1_0,該引腳說明如下：
由上圖所示，
- GPX1CON地址為0x1100C20;
- LED3是輸出裝置，所以需要將GPX1CON[3:0]設定為0x1，但是能修改其他的bite。
2. GPxDAT暫存器
GPxDAT用於讀/寫引腳；當引腳被設為輸入時，讀此暫存器可知相應引腳的電平狀態是高還是低；當引腳被設為輸出時，寫此暫存器相應位可以令此引腳輸出高電平或是低電平。
- GPX1DAT的地址是0x1100C24
- LED3對應的輸出引腳是GPX1DAT[0]，點燈只需要將該引腳設定為1即可，滅燈將bite0置0。
3. GPxUP暫存器
GPxUP：某位為1時，相應引腳無內部上拉電阻；為0時，相應引腳使用內部上拉電阻。
上拉電阻的作用在於：當GPIO引腳處於第三態（即不是輸出高電平，也不是輸出低電平，而是呈高阻態，即相當於沒接晶片）時，它的電平狀態由上拉電阻、下拉電阻確定。
本例不用設定。
四、驅動編寫
下面我們分別用匯編和C語言來給LED編寫驅動程式。
1. 彙編程式碼
大家如果掌握了我之前講解的彙編指令的知識點，那麼這個程式碼很容易就能看明白：
.globl _start
.arm
_start:
LDR R0,=0x11000C20 @將配置暫存器GPX1CON的地址寫入到R0
LDR R1,[R0] @讀取暫存器GPX1CON的值儲存到R1
BIC R1,R1,#0x0000000f @將R1的3:0位清0，目的是不覆蓋到其他bit的值
ORR R1,R1,#0x00000001 @將R1的3:0位置1
STR R1,[R0] @將R1的值寫回暫存器GPX1CON
loop:
LDR R0,=0x11000C24 @將data暫存器GPX1DAT的地址寫入到R0
LDR R1,[R0] @讀取暫存器GPX1DAT的值儲存到R1
ORR R1,R1,#0x01 @將R1的值bite0 設定為1，即拉高，點燈
STR R1,[R0] @將R1的值寫回暫存器GPX1DAT
BL delay @呼叫延時函式
LDR R1,[R0]
BIC R1,R1,#0x01 @將R1的值bite0 設定為0，即拉低，滅燈
STR R1,[R0]
BL delay
B loop
delay: @delay延時函式
LDR R2,=0xfffffff
loop1:
SUB R2,R2,#0x1
CMP R2,#0x0
BNE loop1
MOV PC,LR @返回
.end
Makefile
TARGET=gcd
all:
arm-none-linux-gnueabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGET).o $(TARGET).s
arm-none-linux-gnueabi-ld $(TARGET).o -Ttext 0x40008000 -N -o $(TARGET).elf
arm-none-linux-gnueabi-objcopy -O binary -S $(TARGET).elf $(TARGET).bin
clean:
rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin
程式功能很簡單，就是讓LED3呈現一閃一閃的效果。
執行make，最終生成的gcd.bin檔案。
2. c語言實現
如果要進入C語言執行環境，那麼就必須為設定棧空間，函式呼叫引數和返回值會壓棧。
start.s
.text
.global _start
_start:
ldr sp,=0x70000000 /*get stack top pointer*/
b main
main.c
/* GPX1 */
typedef struct {
unsigned int CON;
unsigned int DAT;
unsigned int PUD;
unsigned int DRV;
}gpx1;
#define GPX1 (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 )
void led_init(void)
{
GPX1.CON = GPX1.CON & (~(0x0000000f)) | 0x00000001;
}
void led_on(int n)
{
GPX1.DAT = GPX1.DAT|0x01;
}
void led_off()
{
GPX1.DAT = GPX1.DAT&(~(0x01));
}
void delay_ms(unsigned int num)
{ int i,j;
for(i=num; i>0;i--)
for(j=1000;j>0;j--)
;
}
int main(void)
{
led_init ();
while (1) {
led_on();
delay_ms(500);
led_off();
delay_ms(500);
}
while(1);
return 0;
}
map.lds
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
. = 0x40008000; ;從該地址開始
. = ALIGN(4);
.text : ;指定程式碼段
{
gcd.o(.text) ;程式碼的第一個部分，絕對不能錯
*(.text)
}
. = ALIGN(4);
.rodata : ;只讀資料段
{ *(.rodata) }
. = ALIGN(4);
.data : ;讀寫資料段
{ *(.data) }
. = ALIGN(4);
.bss :
{ *(.bss) }
}
Makefile
TARGET=gcd
TARGETC=main
all:
arm-none-eabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGETC).o $(TARGETC).c
arm-none-eabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGET).o $(TARGET).s
arm-none-eabi-gcc -O0 -g -S -o $(TARGETC).s $(TARGETC).c
arm-none-eabi-ld $(TARGETC).o $(TARGET).o -Tmap.lds -o $(TARGET).elf
arm-none-eabi-objcopy -O binary -S $(TARGET).elf $(TARGET).bin
clean:
rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin
執行make命令，最終生成的gcd.bin檔案。
這段程式碼中，讀者可能不能理解的是下面的定義：
typedef struct {
unsigned int CON;
unsigned int DAT;
unsigned int PUD;
unsigned int DRV;
}gpx1;
#define GPX1 (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 )
由上圖所示：
- (volatile gpx1 *)0x11000C20 ) ：將常量0x11000C20 強轉成struct gpx1型別指標
- (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 )：查詢指標對應的記憶體驅動，即對應整個結構體變數，結構體變數地址為0x11000C20
-
define GPX1 (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 ) ：GPX1等價於地址為0x11000C20的結構體變數
這樣我們要想操作GPX1的暫存器，就可以像結構體變數一樣操作即可。
3. 測試
採用UBOOT自帶的命令loadb,通過串列埠以baud速率下載binary(.bin)至SDRAM中某一地址中，然後用go 命令從某地址處開始執行程式。
該命令使用了kermit protocol，嵌入式系統通常使用該協議與pc傳送檔案。
操作步驟如下：
- 串列埠連線開發板，開發板啟動後在讀秒階段，立即按下回車，進入uboot命令介面
- 執行loadb 40008000 【該地址與Makefile 和map.lds檔案中的地址保持一致】
- 選擇選單transfer->send Kermit,
- 然後選擇我們編譯好的gcd.bin檔案,
- 點選OK，出現"Staring kermit transfer."字樣，
- 執行 go 40008000，執行程式
執行結果：
可以看到LED閃爍的現象。
5. 注意
該種測試方法需要bootloader選用uboot，並且需要串列埠工具支援Kermit協議，一口君使用的是SecureCRT7.3.3版本【其他低一些的版本可能不支援該協議】，該軟體的下載和安裝方法【安裝方法有點繁瑣】可以公眾號後臺回覆【SecureCRT】。