学习嵌入式的第17天

day 17

零.安装交叉编译器

创建共享目录
拷贝压缩包(arm-cortex_a9-eabi-4.7.....)
解压 tar xf ......
修改环境变量 PATH
打开 vi ~/.bashrc 末尾添加: export PATH=$PATH:/opt/arm-cortex_a9-eabi-4.7-eglibc-2.1........
验证 source ~/.bashrc and arm- + Tab键

一. 回忆昨天的内容

三大系统软件的烧录 EMMC 分区 (测试题) [ ] [ubookpak.bin] [uImage] [rootfs_ext4.img] [应用程序本地库驱动程序]

bootcmd : 引导 Linux内核 bootargs: 给 Linux内核传参

setenv bootcmd mmc read 0x48000000 0x800 0x3000 \\; bootm 0x48000000
setenv bootargs root=/dev/mmcblk0p2 init=/linuxrc
console=ttySAC0, 115200 maxcpus=1 lcd=wy070ml tp=gslx680-linux
saveenv

二. ARM体系结构及汇编

2.1 什么是 ARM

ARM官网 : https://www.arm.com/

Advanced RISC Machines RISC : 精简指令集 ----> ARM MIPS LA IBM CISC : 复杂指令集 ----> Intal AMD

指令集	架构	soc
ARMV4T	ARM7	s3c44b0
ARMV5TE	ARM9	s3c2410
ARMV6	ARM11	s3c6410
ARMV7	Cortex-a	sp5v210
ARMV8	Cortex-a53	s5p6818
	Cortex-r	实时性较强的领域
	Cortex-m	以单片机的价格实现32bit的性能

流水线: 三级流水线取指令解码指令执行指令

以下哪种格式执行效率高？

//第一种写法
for(i = 0; i < 10; i++){
    for(i = 0; j < 10000; j++){
        ...
    }
}

//第二种写法
for(j = 0; j < 10000; j++){
    for(i = 0; i < 10; i++){
        ...
    }
}

//第一种执行效率更高

(测试题) CPI 怎么算？

指令周期/周期内执行指令的个数 BL : 带分支的跳转

2.2 ARM编程模型

2.2.1 ARM工作模式

七种工作模式:

SVC : 管理模式, 系统上电, 执行软中断指令
FIQ : 快速中断, 发生了高优先级中断
IRQ中断: 发证了低优先级的中断
Abort中止 : 发生在非法访问存储器时(需对其访问)
Undef未定义 : 遇到了不认识的指令
System : 与用户共用存储器, 需要特权
User用户：应用程序和系统任务运行在用户模式

前5种是异常模式, 后两种是正常模式前6种是特权模式, 后一种是非特权模式

2.2.2 ARM的工作状态

ARM 状态 : 执行ARM (32bit) 指令时, PC值字对齐 (32位) Tumb 状态: 执行 Tumb (16bit) 指令时, PC值半字对齐 (16位) 访问0x900000002 合法

2.2.3 寄存器的组织结构

寄存器和特殊功能寄存器的区别:

存放的位置不同: 寄存器位于 ARM core 内部特殊功能寄存器: 位于 ARM core 外部
访问的方式不一样特殊功能寄存器都有特定的物理地址寄存器只有名字没有地址, C很难访问

* (volatile int *) (0xc001c000) ----> GPIOCOUT

ARM核中一共有 37 个32bit的寄存器, 其中有31个通用寄存器, 命名为r0-r15 r11 (fp, frame pointer 忽略) r13 (sp, stack pointer 重要) r14 (lr, 保存函数的指针) r15 (pc, 保存取指令的位置)

6个状态寄存器: 1个 cpsr 程序状态寄存器, spsr是cpsr的备份

[4 : 0] mode 模式位, 标识当前 ARM核处于什么模式, 在特权模式下, 可以写该寄存器 [5] T位, 1 --处于 Thumb 状态, 0 -- ARM 状态 [6] F位, 1 -- 禁止FIQ, 0 -- 使能FIQ [7] I位, 1 -- 禁止RIQ, 0 -- 使能RIQ [28] V位, 有符号数据在做运算的时候进位 [29] C位, 运算结果最高位有进位 0xfffffffc + 10 => C = 1 [30] Z位, 运算结果为0, z位为1 [31] N位, 运算结果为负 =1 , 为正 = 0

每一种模式下, 只能访问其中的一个子集.

2.2.4 异常向量与异常向量表

裸板程序:

main(){
    xxx_init();
    ...
    while(1){
        //其中为周期性事件
    }
}
xxx //+ 异常处理

ARM Core 支持 7 种工作模式, 2 种异常 7 种异常会导致 ARM 进入 5种异常模式：

reset: (复位异常) 按下复位键
undef: (未定义的异常) 执行到不认识的指令
swi : (软中断异常) 执行汇编指令 swi
prefetch abort : (预取值终止异常) 取指令时进行了非法的存取器访问
data abort : 取数据时进行了非法访问存储器
irq: (中断异常) 按键中断
fiq : (快速中断) 高优先级中断发生时触发

(测试题)当异常产生时, ARM核硬件上自动做 4 件事:

备份 cpsr spsr_<mode> = cpsr
修改 cpsr
1. 切换为 ARM 工作模式 CPSR[T]
2. 切换为异常工作模式 CPSR[4:0]
3. 禁止中断 CPSR[I] = 1, CPSR[F] = 1
保存返回地址到 LR_\<mode>
给 PC 赋值 reset 异常 ---> pc = 0x00 ... fiq 异常 ---> pc = 0x1C

从异常返回的时候, 软件上需要处理:

恢复 cpsr
返回被打断的位置

fun(){
    ...
    return;
}

main(){//ARM 保存 i++ 的值
    func(); // i++指令的地址 ----> LR
    i++;
}

2.2.5 ARM 支持的数据类型

byte half word word double word 对齐方式: 4 字节对齐, 存储的地址可以被 4 整除

struct stu{
    int a;
    char c;
    short d;
    int b;
};
//sizeof (struct stu) = 12;

大小端的判断: int a = 0x12345678; 字节序:

	大端	小端
地址	值	值
0x00	12	78
0x01	34	56
0x02	56	34
0x03	78	12

权重最大的在低地址叫大端, 编程实现ARM处理器大小端的判断？

//endian.c
//法1：
#include<stdio.h>

int main(void){
    int a = 0x12345678;
    char * p = (char *)&a;

    if(0x12 == *p)
        printf("BIG-Endian");
    else
        printf("Little-Endian");

    return 0;
}

使用交叉编译器见:零.安装交叉编译器

//法2：
#include<stdio.h>

union{
    int a;
    char c[4];
} endian;

int main(void){
    int i = 0;
    endian.a = 1;

    if(endian.c[0] == 1)
        printf("Little Endian\n")
    else
        printf("BIG Endian\n");

    return 0;
}

三. ARM 汇编

3.1 基本概念

arm汇编语言(又叫助记符语言), 大多数系统设计的主要工作都集中在编译代码(C), 一般不需要了解指令集, 但是以下情况会用到汇编:

嵌入式系统中需要初始化和中断服务程序
所有的系统都需要调试, 可能会用到汇编调试, 可以用汇编语言来提升系统性能
有些指令编译器没有办法产生, 只能通过汇编指令完成

3.2 ARM 汇编指令

ARM 汇编指令的特点

大多数汇编指令时单周期的
大多数ARM汇编指令可以条件执行 PPT中条件码看一下

3.2.1 分支跳转指令

语法规则: b {cond} <目标地址> 类似于 goto b main b 指令应用实例

start:
    cmp r0, r1
    beq not_copy
    move r0, r1
not_copy:
    b.

语法规则: bl {cond} <目的地址> //函数调用 l 是 Link bl main //在向 main 跳转之前, 记录下下一条指令的地址到 LR 注意: 目标地址的范围：土32M <cond> 为指令的条件码, EQ, NE, CC, CS, LT... <target> 为指令跳转的目标地址为什么为32M: 将指令中的 24位带符号的补码立即数拓展为 32位 , 将 32位的数左移两位, 所得到的数值加到PC寄存器中, 得到目的地址。

指令编码格式： 31 28 25 24 23 0 cond B L target

bl指令应用实例:

start:
    mov ro, #1
    mov r1, #2
    bl DoAdd
    b .

DoAdd:
    add r0, r0, r1
    mov pc, lr

bx指令编码格式: bx or blx or b {1} {cond} <target> or b {1} {cond} <Rn> x 带状态切换 Rn, 一定是通用寄存器 r0~r15 注意:跳转的范围不受限制(0~4G)

bx指令应用实例:

.code 32
ARM_CODE:
    ADR RO, THUMB_CODE + 1
    BX R0

.code 16
THUMB_code:
    ADR R0, ARM_code
    BX R0

3.2.2 数据处理指令

1) 移位指令

LSL : logical shift left 逻辑左移, 空出的位填0 <Rn>, LSL #<shift_imm> or <Rn>, LSL, <Rs> 移位的位数由Rs寄存器的bit[7:0]

LSR : logical shift right 逻辑右移, 空出的位填0 <Rn>, LSR #<shift_imm>

ASR : Arithmetic shift right 算术右移, 最高位补符号位

ROR : 循环右移

RRX: 带扩展位的循环右移, 新的最高位由 CPSR 的C位填充, 而且更新C位

2) 数据传输指令

mov {cond} {s} <Rd>, <oprand> cond : 可以条件执行 s : 操作结果影响 cpsr 的 NZCV 位 mov R0, #10 @ r0 = 10or movs R0, #10 @ r0 = 10, N = 0 Z = 0 Rd 一定是通用寄存器 operand : 有三种表现形式 mov r0, #10 注意立即数的合法性问题, 存在一个 8bit 的立即数, 循环右移偶数位得到, 那么这个立即数就是合法的. mov r0, r2 @ r0 = r2 mov r0, r2, ls1 #2 @r0 = r2 << 2

moveqs r0, r1 @ if(CPSR.Z == 1) 
              movs r0, r1 
              @r0 = r1 if(r0 == 0) Z = 1 else Z = 0
              @N = r0[31]

mvn {cond} {s} <Rd>, <oprand> 将 operand 表示的数据的反码传送到目标寄存器 r0 中, 并根据操作的结果影响 CPSR 的 NZCV 位.

3.2.3 算数运算指令

add {cond} {s} <Rd>, <Rn>, <oprand> cond 可以条件执行 s 操作结果影响 NZCV 位 N = r[31] if(Rn == 0) Z = 1 else Z = 0 最高位有进位 C = 1 else C = 0

Rd, Rn 一定是通用寄存器 operand 有三种表现形式

add r0, #10 add r0, r1, r2 add r0, r1, r2, ls1 #3 @ro = r1+r2*8

adc {cond} {s} <Rd>, <Rn>, <oprand> eg : adc r0, r1, r2 @r0 = r1 + r2 + C eg : 64bit 加法运算

	高	低
被加数	r0	r1
加数	r2	r3
和	r0	r1

adds r1, r1, r3 addc r0, r0, r2

sub {cond} {s} <Rd>, <Rn>, <oprand> s 注意对C位的影响 Rn > Operand C = 1 else C = 0

减法指令: sbc {cond} {s} <Rd>, <Rn>, <oprand> sbc r0, r1, r2 @ r0 = r1 - r2 -NOT(C)

eg: 64位减法运算

	高	低
被减数	r4	r5
减数	r6	r7
和	r8	r9

subs r9, r5, r7 @if(r5 > r7) C = 1 else C = 0 sbc r8, r4, r6 @ r8 = r4 - r6 - NOT(C) @出现了负负得正的效果

逆向减法指令: rsb {cond} {s} <Rd>, <Rn>, <oprand> eg : rsb r0, r1, r2 @ r0 = r2 - r1 eg : rsb r0, r1, #8 @ r0 = 8 - r1 eg : rsb r0, #8, r1 @ 不对, 语法错误 eg : rsb r0, r0, #0 @ 取相反数

练习: 求 1 到 10 的累加和, 结果保存到 r0中

@add.s

.text
.code 32
.global _start
_start:
    mov r1, #10
    mov r0, #0


sum:
    add r0, r0, #1
    sub r1, r1, #1
    cmp r1, #0

    beq sum

    b .

.end

作业: 对照数据手册和电路原理图读懂01工程文件

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