「正点原子Linux连载」第十章C语言版LED灯实验

2）摘自《正点原子I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》
关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子

第十章C语言版LED灯实验
第八章我们讲解了如何用汇编语言编写LED灯实验，但是实际开发过程中汇编用的很少，大部分都是C语言开发，汇编只是用来完成C语言环境的初始化。本章我们就来学习如何用汇编来完成C语言环境的初始化工作，然后从汇编跳转到C语言代码里面去。
10.1 C语言版LED灯简介       第八章的汇编LED灯实验中，我们讲解了如何使用汇编来编写LED灯驱动，实际工作中是很少用到汇编去写嵌入式驱动的，毕竟汇编太难，而且写出来也不好理解，大部分情况下都是使用C语言去编写的。只是在开始部分用汇编来初始化一下C语言环境，比如初始化DDR、设置堆栈指针SP等等，当这些工作都做完以后就可以进入C语言环境，也就是运行C语言代码，一般都是进入main函数。所以我们有两部分文件要做：
       ①、汇编文件
       汇编文件只是用来完成C语言环境搭建。
       ②、C语言文件
       C语言文件就是完成我们的业务层代码的，其实就是我们实际例程要完成的功能。
其实STM32也是这样的，只是我们在开发STM32的时候没有想到这一点，以STM32F103为例，其启动文件startup_stm32f10x_hd.s这个汇编文件就是完成C语言环境搭建的，当然还有一些其他的处理，比如中断向量表等等。当startup_stm32f10x_hd.s把C语言环境初始化完成以后就会进入C语言环境。
10.2硬件原理分析       本章使用到的硬件资源和第八章一样，就是一个LED0。
10.3实验程序编写       本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 1、裸机例程->2_ledc。
新建VScode工程，工程名字为“ledc”，新建三个文件：start.S、main.c和mian.h。其中start.S是汇编文件，main.c和main.h是C语言相关文件。
10.3.1汇编部分实验程序编写       在STM32中，启动文件 startup_stm32f10x_hd.s就是完成C语言环境搭建的，当然还有一些其他的处理，比如中断向量表等等。startup_stm32f10x_hd.s中堆栈初始化代码如下所示：
示例代码10.3.1.1 STM32启动文件堆栈初始化代码
1  Stack_Size      EQU     0x00000400
2
3                    AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
4  Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
5  __initial_sp
6
7;<h> Heap Configuration
8;<o>  Heap Size (in Bytes)<0x0-0xFFFFFFFF:8>
9;h>
10
11 Heap_Size       EQU     0x00000200
12
13                 AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
14 __heap_base
15 Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
16 __heap_limit
17*******************省略掉部分代码***********************
18 Reset_Handler   PROC
19                 EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
20                 IMPORT  __main
21                 IMPORT  SystemInit
22                 LDR     R0,=SystemInit
23                 BLX     R0              
24                 LDR     R0,=__main
25                 BX      R0
26                 ENDP
       第1行代码就是设置栈大小，这里是设置为0X400=1024字节。
       第5行的__initial_sp就是初始化SP指针。
       第11行是设置堆大小。
       第18行是复位中断服务函数，STM32复位完成以后会执行此中断服务函数。
       第22行调用SystemInit()函数来完成其他初始化工作。
       第24行调用__main，__main是库函数，其会调用main()函数。
       I.MX6U的汇编部分代码和STM32的启动文件startup_stm32f10x_hd.s基本类似的，只是本实验我们不考虑中断向量表，只考虑初始化C环境即可。在前面创建的start.s中输入如下代码：
示例代码10.3.1.2 start.s文件代码
/***************************************************************
Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.
文件名   : start.s
作者     : 左忠凯
版本     : V1.0
描述     : I.MX6U-ALPHA/I.MX6ULL开发板启动文件，完成C环境初始化，
           C环境初始化完成以后跳转到C代码。
其他     : 无
日志     : 初版 2019/1/3 左忠凯修改
**************************************************************/

1.global _start       /* 全局标号 */
2
3/*
4   * 描述： _start函数，程序从此函数开始执行，此函数主要功能是设置C
5   *        运行环境。
6   */
7  _start:
8
9   /* 进入SVC模式 */
10     mrs r0, cpsr
11  bic r0, r0, #0x1f/* 将r0的低5位清零，也就是cpsr的M0~M4    */
12  orr r0, r0, #0x13 /* r0或上0x13,表示使用SVC模式 */
13  msr cpsr, r0         /* 将r0 的数据写入到cpsr_c中 */
14
15  ldr sp,=0X80200000   /* 设置栈指针   */
16  b main              /* 跳转到main函数       */
    第1行定义了一个全局标号_start。
       第7行就是标号_start开始的地方，相当于是一个_start函数，这个_start就是第一行代码。
       第10~13行就是设置处理器进入SVC模式，在6.2小节的“Cortex-A处理器运行模型”中我们说过Cortex-A有九个运行模型，这里我们设置处理器运行在SVC模式下。处理器模式的设置是通过修改CPSR(程序状态)寄存器来完成的，在6.3.2小节中我们详细的讲解了CPSR寄存器，其中M[4:0](CPSR的bit[4:0])就是设置处理器运行模式的，参考表6.3.2.2，如果要将处理器设置为SVC模式，那么M[4:0]就要等于0X13。11~13行代码就是先使用指令MRS将CPSR寄存器的值读取到R0中，然后修改R0中的值，设置R0的bit[4:0]为0X13，然后再使用指令MSR将修改后的R0重新写入到CPSR中。
       第15行通过ldr指令设置SVC模式下的SP指针=0X80200000，因为I.MX6U-ALPHA开发板上的DDR3地址范围是0X80000000~0XA0000000(512MB)或者0X80000000~0X90000000(256MB)，不管是512MB版本还是256MB版本的，其DDR3起始地址都是0X80000000。由于Cortex-A7的堆栈是向下增长的，所以将SP指针设置为0X80200000，因此SVC模式的栈大小0X80200000-0X80000000=0X200000=2MB，2MB的栈空间已经很大了，如果做裸机开发的话绰绰有余。
       第16行就是跳转到main函数，main函数就是C语言代码了。
       至此汇编部分程序执行完成，就几行代码，用来设置处理器运行到SVC模式下、然后初始化SP指针、最终跳转到C文件的mian函数中。如果有玩过三星的S3C2440或者S5PV210的话会知道我们在使用SDRAM或者DDR之前必须先初始化SDRAM或者DDR。所以S3C2440或者S5PV210的汇编文件里面是一定会有SDRAM或者DDR初始化代码的。我们上面编写的start.s文件中却没有初始化DDR3的代码，但是却将SVC模式下的SP指针设置到了DDR3的地址范围中，这不会出问题吗？肯定不会的，DDR3肯定是要初始化的，但是不需要在start.s文件中完成。在9.4.2小节里面分析DCD数据的时候就已经讲过了，DCD数据包含了DDR配置参数，I.MX6U内部的Boot ROM会读取DCD数据中的DDR配置参数然后完成DDR初始化的。
10.3.2 C语言部分实验程序编写       C语言部分有两个文件main.c和main.h，main.h里面主要是定义的寄存器地址，在mian.h里面输入代码：
示例代码10.3.2.1 main.h文件代码
#ifndef __MAIN_H
#define __MAIN_H
/******************************************************************
Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.
文件名   : main.h
作者     : 左忠凯
版本     : V1.0
描述     : 时钟GPIO1_IO03相关寄存器地址定义。
其他     : 无
日志     : 初版V1.0 2019/1/3 左忠凯创建
*****************************************************************/

1  /*
2   * CCM相关寄存器地址
3   */
4  #define CCM_CCGR0               *((volatileunsignedint*)0X020C4068)
5  #define CCM_CCGR1               *((volatileunsignedint*)0X020C406C)
6  #define CCM_CCGR2               *((volatileunsignedint*)0X020C4070)
7  #define CCM_CCGR3               *((volatileunsignedint*)0X020C4074)
8  #define CCM_CCGR4               *((volatileunsignedint*)0X020C4078)
9  #define CCM_CCGR5               *((volatileunsignedint*)0X020C407C)
10#define CCM_CCGR6                *((volatileunsignedint*)0X020C4080)
11
12/*
13  * IOMUX相关寄存器地址
14  */
15 #define SW_MUX_GPIO1_IO03    *((volatileunsignedint*)0X020E0068)
16 #define SW_PAD_GPIO1_IO03    *((volatileunsignedint*)0X020E02F4)
17
18/*
19  * GPIO1相关寄存器地址
20  */
21 #define GPIO1_DR                *((volatileunsignedint*)0X0209C000)
22 #define GPIO1_GDIR             *((volatileunsignedint*)0X0209C004)
23 #define GPIO1_PSR               *((volatileunsignedint*)0X0209C008)
24 #define GPIO1_ICR1             *((volatileunsignedint*)0X0209C00C)
25 #define GPIO1_ICR2             *((volatileunsignedint*)0X0209C010)
26 #define GPIO1_IMR               *((volatileunsignedint*)0X0209C014)
27 #define GPIO1_ISR               *((volatileunsignedint*)0X0209C018)
28 #define GPIO1_EDGE_SEL        *((volatileunsignedint*)0X0209C01C)
29
30 #endif
       在mian.h中我们以宏定义的形式定义了要使用到的所有寄存器，后面的数字就是其地址，比如CCM_CCGR0寄存器的地址就是0X020C4068，这个很简单，很好理解。
       接下看一下main.c文件，在mian.c里面输入如下所示代码：
示例代码10.3.2.2  main.c文件代码
/**************************************************************
Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.
文件名   :  mian.c
作者     : 左忠凯
版本     : V1.0
描述     : I.MX6U开发板裸机实验2 C语言点灯
使用C语言来点亮开发板上的LED灯，学习和掌握如何用C语言来
完成对I.MX6U处理器的GPIO初始化和控制。
其他     : 无
日志     : 初版V1.0 2019/1/3 左忠凯创建
**************************************************************/
1#include "main.h"
2
3 /*
4  * @description : 使能I.MX6U所有外设时钟
5* @param       : 无
6  * @Return      : 无
7 */
8void clk_enable(void)
9{
10      CCM_CCGR0 =0xffffffff;
11      CCM_CCGR1 =0xffffffff;
12      CCM_CCGR2 =0xffffffff;
13      CCM_CCGR3 =0xffffffff;
14      CCM_CCGR4 =0xffffffff;
15      CCM_CCGR5 =0xffffffff;
16      CCM_CCGR6 =0xffffffff;
17}
18
19/*
20   * @description : 初始化LED对应的GPIO
21   * @param       : 无
22   * @return      : 无
23   */
24void led_init(void)
25{
26/* 1、初始化IO复用,复用为GPIO1_IO03 */
27      SW_MUX_GPIO1_IO03 =0x5;
28
29/* 2、配置GPIO1_IO03的IO属性
30       *bit 16:0 HYS关闭
31       *bit [15:14]: 00 默认下拉
32       *bit [13]: 0 kepper功能
33       *bit [12]: 1 pull/keeper使能
34       *bit [11]: 0 关闭开路输出
35       *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
36       *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
37       *bit [0]: 0 低转换率
38       */
39      SW_PAD_GPIO1_IO03 =0X10B0;
40
41/* 3、初始化GPIO, GPIO1_IO03设置为输出 */
42      GPIO1_GDIR =0X0000008;
43
44/* 4、设置GPIO1_IO03输出低电平，打开LED0 */
45      GPIO1_DR =0X0;
46}
47
48/*
49   * @description : 打开LED灯
50   * @param       : 无
51   * @return      : 无
52   */
53void led_on(void)
54{
55/*
56       * 将GPIO1_DR的bit3清零
57       */
58      GPIO1_DR &=~(1<<3);
59}
60
61/*
62   * @description : 关闭LED灯
63   * @param       : 无
64   * @return      : 无
65   */
66void led_off(void)
67{
68/*   
69       * 将GPIO1_DR的bit3置1
70       */
71      GPIO1_DR |=(1<<3);
72}
73
74/*
75   * @description : 短时间延时函数
76   * @param - n   : 要延时循环次数(空操作循环次数，模式延时)
77   * @return      : 无
78   */
79void delay_short(volatileunsignedint n)
80{
81while(n--){}
82}
83
84/*
85   * @description : 延时函数,在396Mhz的主频下延时时间大约为1ms
86   * @param - n   : 要延时的ms数
87   * @return      : 无
88   */
89void delay(volatileunsignedint n)
90{
91while(n--)
92{
93          delay_short(0x7ff);
94}
95}
96
97/*
98   * @description : mian函数
99   * @param        : 无
100  * @return      : 无
101  */
102int main(void)
103{
104     clk_enable(); /* 使能所有的时钟   */
105     led_init();   /* 初始化led            */
106
107while(1)   /* 死循环   */
108{
109         led_off(); /* 关闭LED              */
110         delay(500); /* 延时大约500ms        */
111
112         led_on();  /* 打开LED              */
113         delay(500); /* 延时大约500ms        */
114}
115
116return0;
117}
    main.c文件里面一共有7个函数，这7个函数都很简单。clk_enable函数是使能CCGR0~CCGR6所控制的所有外设时钟。led_init函数是初始化LED灯所使用的IO，包括设置IO的复用功能、IO的属性配置和GPIO功能，最终控制GPIO输出低电平来打开LED灯。led_on和led_off这两个函数看名字就知道，用来控制LED灯的亮灭的。delay_short()和delay()这两个函数是延时函数，delay_short()函数是靠空循环来实现延时的，delay()是对delay_short()的简单封装，在I.MX6U工作在396MHz(Boot ROM设置的396MHz)的主频的时候delay_short(0x7ff)基本能够实现大约1ms的延时，所以delay()函数我们可以用来完成ms延时。main函数就是我们的主函数了，在main函数中先调用函数clk_enable()和led_init()来完成时钟使能和LED初始化，最终在while(1)循环中实现LED循环亮灭，亮灭时间大约是500ms。
本实验的程序部分就是这些了，接下来即使编译和测试了。
10.4编译下载验证10.4.1编写Makefile       新建Makefile文件，在Makefile文件里面输入如下内容：
示例代码10.3.2.2 main.c文件代码
1  objs:= start.o main.o
2
3  ledc.bin:$(objs)
4   arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0X87800000 -o ledc.elf $^
5   arm-linux-gnueabihf-objcopy -O binary -S ledc.elf $@
6   arm-linux-gnueabihf-objdump -D -m arm ledc.elf > ledc.dis
7
8  %.o:%.s
9   arm-linux-gnueabihf-gcc -Wall -nostdlib -c  -o $@ $<
10
11 %.o:%.S
12  arm-linux-gnueabihf-gcc -Wall -nostdlib -c  -o $@ $<
13
14 %.o:%.c
15  arm-linux-gnueabihf-gcc -Wall -nostdlib -c  -o $@ $<
16
17 clean:
18  rm -rf *.o ledc.bin ledc.elf ledc.dis
上述的Makefile就比第八章的Makefile要复杂一点了，里面用到了Makefile变量和自动变量，关于Makefile的变量和自动变量的请参考“3.4 Makefile语法”。
第1行定义了一个变量objs，objs包含着要生成ledc.bin所需的材料：start.o和main.o，也就是当前工程下的start.s和main.c这两个文件编译后的.o文件。这里要注意start.o一定要放到最前面！因为在后面链接的时候start.o要在最前面，因为start.o是最先要执行的文件！
第3行就是默认目标，目的是生成最终的可执行文件ledc.bin，ledc.bin依赖start.o和main.o如果当前工程没有start.o和main.o的时候就会找到相应的规则去生成start.o和main.o。比如start.o是start.s文件编译生成的，因此会执行第8行的规则。
第4行是使用arm-linux-gnueabihf-ld进行链接，链接起始地址是0X87800000，但是这一行用到了自动变量“$^”，“$^”的意思是所有依赖文件的集合，在这里就是objs这个变量的值：start.o和main.o。链接的时候start.o要链接到最前面，因为第一行代码就是start.o里面的，因此这一行就相当于：
arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0X87800000 -o ledc.elf start.o main.o
第5行使用arm-linux-gnueabihf-objcopy来将ledc.elf文件转为ledc.bin，本行也用到了自动变量“$@”，“$@”的意思是目标集合，在这里就是“ledc.bin”，那么本行就相当于：
arm-linux-gnueabihf-objcopy -O binary -S ledc.elf ledc.bin
       第6行使用arm-linux-gnueabihf-objdump来反汇编，生成ledc.dis文件。
       第8~15行就是针对不同的文件类型将其编译成对应的.o文件，其实就是汇编.s(.S)和.c文件，比如start.s就会使用第8行的规则来生成对应的start.o文件。第9行就是具体的命令，这行也用到了自动变量“$@”和“$<”，其中“$<”的意思是依赖目标集合的第一个文件。比如start.s要编译成start.o的话第8行和第9行就相当于：
start.o:start.s
   arm-linux-gnueabihf-gcc -Wall -nostdlib -c -O2 -o start.o start.s
第17行就是工程清理规则，通过命令“makeclean”就可以清理工程。
Makefile文件就讲到这里，我们可以将整个工程拿到Ubuntu下去编译，编译完成以后可以使用软件imxdownload将其下载到SD卡中，命令如下：
chmod 777 imxdownload                    //给予imxdownoad可执行权限，一次即可
./imxdownload ledc.bin /dev/sdd          //下载到SD卡中
10.4.2链接脚本在上面的Makefile中我们链接代码的时候使用如下语句：
arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0X87800000 -o ledc.elf $^
       上面语句中我们是通过“-Ttext”来指定链接地址是0X87800000的，这样的话所有的文件都会链接到以0X87800000为起始地址的区域。但是有时候我们很多文件需要链接到指定的区域，或者叫做段里面，比如在Linux里面初始化函数就会放到init段里面。因此我们需要能够自定义一些段，这些段的起始地址我们可以自由指定，同样的我们也可以指定一个文件或者函数应该存放到哪个段里面去。要完成这个功能我们就需要使用到链接脚本，看名字就知道链接脚本主要用于链接的，用于描述文件应该如何被链接在一起形成最终的可执行文件。其主要目的是描述输入文件中的段如何被映射到输出文件中，并且控制输出文件中的内存排布。比如我们编译生成的文件一般都包含text段、data段等等。
       链接脚本的语法很简单，就是编写一系列的命令，这些命令组成了链接脚本，每个命令是一个带有参数的关键字或者一个对符号的赋值，可以使用分号分隔命令。像文件名之类的字符串可以直接键入，也可以使用通配符“*”。最简单的链接脚本可以只包含一个命令“SECTIONS”,我们可以在这一个“SECTIONS”里面来描述输出文件的内存布局。我们一般编译出来的代码都包含在text、data、bss和rodata这四个段内，假设现在的代码要被链接到0X10000000这个地址，数据要被链接到0X30000000这个地方，下面就是完成此功能的最简单的链接脚本：
示例代码10.4.2.1 链接脚本演示代码
1 SECTIONS{
2.=0X10000000;
3.text :{*(.text)}
4.=0X30000000;
5.data ALIGN(4):{*(.data)}
6.bss ALIGN(4):{*(.bss)}
7}
       第1行我们先写了一个关键字“SECTIONS”，后面跟了一个大括号，这个大括号和第7行的大括号是一对，这是必须的。看起来就跟C语言里面的函数一样。
       第2行对一个特殊符号“.”进行赋值，“.”在链接脚本里面叫做定位计数器，默认的定位计数器为0。我们要求代码链接到以0X10000000为起始地址的地方，因此这一行给“.”赋值0X10000000，表示以0X10000000开始，后面的文件或者段都会以0X10000000为起始地址开始链接。
       第3行的“.text”是段名，后面的冒号是语法要求，冒号后面的大括号里面可以填上要链接到“.text”这个段里面的所有文件，“*(.text)”中的“*”是通配符，表示所有输入文件的.text段都放到“.text”中。
       第4行，我们的要求是数据放到0X30000000开始的地方，所以我们需要重新设置定位计数器“.”，将其改为0X30000000。如果不重新设置的话会怎么样？假设“.text”段大小为0X10000，那么接下来的.data段开始地址就是0X10000000+0X10000=0X10010000，这明显不符合我们的要求。所以我们必须调整定位计数器为0X30000000。
       第5行跟第3行一样，定义了一个名为“.data”的段，然后所有文件的“.data”段都放到这里面。但是这一行多了一个“ALIGN(4)”，这是什么意思呢？这是用来对“.data”这个段的起始地址做字节对齐的，ALIGN(4)表示4字节对齐。也就是说段“.data”的起始地址要能被4整除，一般常见的都是ALIGN(4)或者ALIGN(8)，也就是4字节或者8字节对齐。
       第6行定义了一个“.bss”段，所有文件中的“.bss”数据都会被放到这个里面，“.bss”数据就是那些定义了但是没有被初始化的变量。
上面就是链接脚本最基本的语法格式，我们接下来就按照这个基本的语法格式来编写我们本试验的链接脚本，我们本试验的链接脚本要求如下：
       、链接起始地址为0X87800000。
、start.o要被链接到最开始的地方，因为start.o里面包含这第一个要执行的命令。
       根据要求，在Makefile同目录下新建一个名为“imx6ul.lds”的文件，然后在此文件里面输入如下所示代码：
示例代码10.4.2.2 imx6ul.lds链接脚本代码
1  SECTIONS{
2      .=0X87800000;
3   .text :
4      {
5      start.o
6      main.o
7      *(.text)
8   }
9   .rodata ALIGN(4):{*(.rodata*)}
10  .data ALIGN(4):{*(.data)}
11  __bss_start =.;
12  .bss ALIGN(4):{*(.bss)*(COMMON)}
13  __bss_end =.;
14}
       上面的链接脚本文件和示例代码10.4.2.1基本一致的，第2行设置定位计数器为0X87800000，因为我们的链接地址就是0X87800000。第5行设置链接到开始位置的文件为start.o，因为start.o里面包含着第一个要执行的指令，所以一定要链接到最开始的地方。第6行是main.o这个文件，其实可以不用写出来，因为main.o的位置就无所谓了，可以由编译器自行决定链接位置。在第11、13行有“__bss_start”和“__bss_end”这两个东西？这个是什么呢？“__bss_start”和“__bss_end”是符号，第11、13这两行其实就是对这两个符号进行赋值，其值为定位符“.”，这两个符号用来保存.bss段的起始地址和结束地址。前面说了.bss段是定义了但是没有被初始化的变量，我们需要手动对.bss段的变量清零的，因此我们需要知道.bss段的起始和结束地址，这样我们直接对这段内存赋0即可完成清零。通过第11、13行代码，.bss段的起始地址和结束地址就保存在了“__bss_start”和“__bss_end”中，我们就可以直接在汇编或者C文件里面使用这两个符号。
10.4.3修改Makefile       在上一小节中我们已经编写好了链接脚本文件：imx6ul.lds，我们肯定是要使用这个链接脚本文件的，将Makefile中的如下一行代码：
arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext0X87800000 -o ledc.elf $^
       改为：
arm-linux-gnueabihf-ld -Timx6ul.lds -o ledc.elf $^
       起始就是将-T后面的0X87800000改为imx6ul.lds，表示使用imx6ul.lds这个链接脚本文件。修改完成以后使用新的Makefile和链接脚本文件重新编译工程，编译成功以后就可以烧写到SD卡中验证了。
10.4.4下载验证       使用软件imxdownload将编译出来的ledc.bin烧写到SD卡中，命令如下：
chmod 777 imxdownload                    //给予imxdownload可执行权限，一次即可
./imxdownload ledc.bin /dev/sdd          //烧写到SD卡中
       烧写成功以后将SD卡插到开发板的SD卡槽中，然后复位开发板，如果代码运行正常的话LED0就会以500ms的时间间隔亮灭。