朱兆祺带你一步一步学习嵌入式（连载）

电子

` 本帖最后由 zzq宁静致远于 2014-7-12 09:34 编辑

从最初涉及嵌入式Linux开始到现在,深深的知道嵌入式的每一步学习都是举步维艰。从去年11月份开始，我就着手整理各种学习资料，希望推动嵌入式学习的前进贡献自己微不足道的一份力量。从去年到现在，将C语言的学习经验整理成《攻破C语言笔试与机试陷阱及难点》（现在仍在更新），这份资料已经在电子发烧友论坛的单片机论坛连载（https://bbs.elecfans.com/jishu_354666_1_1.html），这份资料也已经录制了部分视频；现在我同样将嵌入式学习经验进行整理进行连载，视频我已经在加紧录制，等录制到一半将会挂载在网上以供嵌入式学习者免费下载。
我从大一学习C语言到大二开始接触ARM，从毕业工作到现在筹建明志电子科技工作室承接各类项目，一步步都是自己扎扎实实走过来，我整理的资料，每一个图都是根据我的思维、适合学习者的角度亲自画出，每一个程序都是亲手敲入进行调试。
2013年8月8日更新：
为了满足大家的学习，嵌入式Linux实用教程同步视频以每5集形式上传。

2014年4月8日：
《嵌入式Linux开发实用教程》一书已经出版，本帖将会持续更新，后续更会有裸板视频和项目视频更新。敬请关注。
《嵌入式Linux开发实用教程》购买地址：
http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1.w6545579-4546600052.3.8xcC8H&id=36731267737

1.本书及视频QQ群：
嵌入式Linux开发实用教程1：284013595 （1000人）
嵌入式Linux开发实用教程2：271641475 （1000人，已满）
嵌入式Linux开发实用教程3：301012138 （500人）
深圳市馒头科技有限公司官方百度网盘（C语言、单片机、嵌入式视频）：
http://pan.baidu.com/share/link?shareid=3562495290&uk=3996269986

2.《嵌入式Linux开发实用教程》视频清单：

第1课：Linux基本操作指令

第2课：Makefile

第3课：Linux常用软件

第4课：U-Boot-2013.04搭建适合OK6410模板

第5课：初步编译U-Boot-2013.04

第6课：U-Boot-2013.04启动分析1

第7课：U-Boot-2013.04启动分析2

第8课：SD卡启动U-Boot原理

第9课：SD卡启动U-Boot-2013.04移植1（解开众多商家SD卡启动机密）

第10课：SD卡启动U-Boot-2013.04移植2（解开众多商家SD卡启动机密）

第11课：SD卡启动

第12课：Signal # 8 caught错误

第13课：MMC驱动移植

第14课：FAT文件系统

第15课：U-Boot命令

第16课：NAND Flash移植（1）

第17课：NAND Flash移植（2）

第18课：NAND Flash移植（3）

第19课：DM9000网卡移植

第20课：Linux-3.8.3内核介绍

第21课：初步测试内核（1）

第22课：初步测试内核（2）

第23课：下载地址和入口地址

第24课： MTD分区

第25课：NAND Flash移植

第26课：DM9000网卡移植

第27课：使内核支持YAFFS2文件系统

第28课：制作YAFFS2文件系统

第29课：LCD移植

第30课：字符设备驱动之LED

第31课：字符设备驱动之ADC

第32课：块驱动

第33课：tslib安装

第34课：安装Linux和embedded版本Qt-4.8.4

第35课：安装QtCreator编译环境

第36课：Qt初体验之Hello

第37课：Qt之LED

第38课：Qt之ADC

第39课：项目拓展学习（1）

第40课：项目拓展学习（2）

第41—50课：裸板程序设计

3. 嵌入式Linux实用教程软件：

Ubuntu10.04.4镜像、VMware-7.0.1虚拟机、Source Insight3.5+注册码、SecureCRT_6.6.1_PiaoXu.net、SD_Writer、UltraEdit10c、USB转串口驱动、等等嵌入式Linux常用软件。

4. 嵌入式Linux实用教程资料

S3c6410相关手册、Linux常用书籍、嵌入式Linux实用手册初稿、等等。

5. 嵌入式Linux开发实用教程源码

linux-3.8.3、u-boot-2013.04-rc1、自制编译器、等等相关源码

6. 嵌入式Linux实用教程程序

《嵌入式Linux开发实用教程》一书中涉及的U-Boot添加程序、Linux程序、Linux设备驱动程序、Qt程序等等

6. C语言技术公开课

在电子发烧友学院进行的一系列课程涉及的资料，相关链接如下：

https://bbs.elecfans.com/jishu_361304_1_1.html

下载说明：

百度网盘：

[url=]http://pan.baidu.com/share/link?shareid=3562495290&uk=3996269986[/url]

第三章第六节 NAND Flash驱动移植

https://bbs.elecfans.com/forum.php?mod=redirect&goto=findpost&ptid=357014&pid=2625521&fromuid=222350

第三章第六节 DM9000网卡驱动
https://bbs.elecfans.com/forum.php?mod=redirect&goto=findpost&ptid=357014&pid=2676612&fromuid=222350

第三章第七节 YAFFS2根文件系统（1）

https://bbs.elecfans.com/forum.php?mod=redirect&goto=findpost&ptid=357014&pid=2678991&fromuid=222350

第三章第八节 LCD驱动移植

https://bbs.elecfans.com/forum.php?mod=redirect&goto=findpost&ptid=357014&pid=2743024&fromuid=222350

第三章第九节 LCD触摸移植

https://bbs.elecfans.com/forum.php?mod=redirect&goto=findpost&ptid=357014&pid=2798921&fromuid=222350

第四章第二节字符设备驱动

https://bbs.elecfans.com/forum.php?mod=redirect&goto=findpost&ptid=357014&pid=2879175&fromuid=222350

第四章第三节 ADC驱动程序设计

第五章第一节 Qt编译环境搭建

第五章第二节安装Linux/x11版Qt-4.8.4

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shuanghong · 2013-11-7 09:34:02

LZ说的内容都比较基础，但是能拿出来分享值得赞一个，期待后期大作，ps：最近由于在搞C++，ARM这块都落下很多了，看来要把那块S3C2440板子利用起来了~

杨礼 · 2013-11-8 14:20:02

楼主给力，准备学嵌入式，不知从何入手？？？

李佳坤 · 2013-11-9 19:34:27

{:1:}{:1:}{:1:}{:1:}{:1:}{:1:}{:1:}

fermi0380 · 2013-11-13 21:35:18

辛苦了，祝你成功。。

L•Y · 2013-11-14 23:50:06

看看，高大上，好东西

沙滩上的鱼 · 2013-11-18 20:09:32

多谢楼主呀，感谢感谢

andy@789 · 2013-11-18 20:32:54

谢谢分享

{:23:}

ww浩子ww · 2013-11-19 19:48:04

谢谢楼主分享！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

朱兆祺 · 2013-11-20 20:52:09

第三章第四节内核启动分析

对于ARM处理器，内核启动大体上可以分为两个阶段：与处理器相关的汇编启动阶段和与处理器无关的C代码启动阶段。汇编启动阶段从head.S(arch/arm/kernel/head.S)文件开始，C代码启动阶段从start_kernel函数(init/main.c)开始。当然，经过压缩的内核镜像文件zImage，在进入汇编启动阶段前还要运行一段自解压代码(arch/arm/boot/compressed/head.S)。

省略一些无关紧要的过程和编译后不运行的代码，该过程的启动流程如图3. 7所示。相对早期linux-2.6.38的版本，linux-3.8.3在汇编启动阶段并没有出现__lookup_machine_type，但这并不意味着内核不再检查bootloader传入的machine_arch_type参数(R1)，只是将检查机制推迟到了C代码阶段。

1) __lookup_processor_type

__lookup_processor_type函数的具体实现如程序清单3. 1。

程序清单3. 1查找处理器类型函数

__lookup_processor_type:

adr r3, __lookup_processor_type_data

ldmia r3, {r4 - r6}

sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys

add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to

add r6, r6, r3 @ physical address space

1: ldmia r5, {r3, r4} @ value, mask

and r4, r4, r9 @ mask wanted bits

teq r3, r4

beq 2f

add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list)

cmp r5, r6

blo 1b

mov r5, #0 @ unknown processor

2: mov pc, lr

ENDPROC(__lookup_processor_type)

.align 2

.type __lookup_processor_type_data, %object

__lookup_processor_type_data:

.long .

.long __proc_info_begin

.long __proc_info_end

.size __lookup_processor_type_data, . - __lookup_processor_type_data

__lookup_processor_type函数的主要功能是将内核支持的所有CPU类型与通过程序实际读取的cpu id进行查表匹配。如果匹配成功，将匹配到的proc_info_list的基地址存到r5,否则，r5为0，程序将会进入一个死循环。函数传入参数r9为程序实际读取的cpu id，传出参数r5为匹配到的proc_info_list指针的地址。同时为了使C语言能够调用这个函数，根据APCS（ARM 过程调用标准）规则，简单使用以下代码就能包装成一个C语言版本__lookup_processor_type的API函数，函数的原型为struct proc_info_list *lookup_processor_type(unsigned int)。

ENTRY(lookup_processor_type)

stmfd sp!, {r4 - r6, r9, lr}

mov r9, r0

bl __lookup_processor_type

mov r0, r5

ldmfd sp!, {r4 - r6, r9, pc}

ENDPROC(lookup_processor_type)

ENTRY和ENDPROC宏的定义如下：

#define ENTRY(name)

.globl name;

name:

#define ENDPROC(name)

内核利用一个结构体proc_info_list来记录处理器相关的信息，在文件arch/arm/include/asm/procinfo.h声明了该结构体的类型，如下所示。

struct proc_info_list {

unsigned int cpu_val;

unsigned int cpu_mask;

unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */

const char *arch_name;

const char *elf_name;

unsigned int elf_hwcap;

const char *cpu_name;

struct processor *proc;

struct cpu_tlb_fns *tlb;

struct cpu_user_fns *user;

struct cpu_cache_fns *cache;

};

事实上，在arch/arm/mm/proc-*.S这类文件中，程序才真正给内核所支持的arm处理器的proc_info_list分配了内存空间，例如linux/arch/arm/mm/proc-v6.S文件用汇编语言定义的__v6_proc_info结构体。.section指示符来指定这些结构体编译到.proc.info段。.proc.info的起始地址为 __proc_info_begin，终止位置为__proc_info_end，把它们作为全局变量保存在内存中，链接脚本arch/arm/kernel/vmlinux.lds部分内容参考如下：

.init.proc.info : {

. = ALIGN(4);

__proc_info_begin = .;

*(.proc.info.init)

__proc_info_end = .;

}

2) __vet_atags

在启动内核时, bootloader会向内核传递一些参数。通常，bootloader 有两种方法传递参数给内核：一种是旧的参数结构方式（parameter_struct)——主要是2.6 之前的内核使用的方式；另外一种是现在的内核在用的参数列表(tagged list) 的方式。这些参数主要包括，系统的根设备标志、页面大小、内存的起始地址和大小、当前内核命令参数等。而这些参数是通过struct tag结构体组织，利用指针链接成一个按顺序排放的参数列表。bootloader引导内核启动时，就会把这个列表的首地址放入R2中，传给内核，内核通过这个地址就分析出传入的所有参数。

内核要求参数列表必须存放在RAM物理地址的头16k位置，并且ATAG_CORE类型的参数需要放置在参数的列表的首位。__vet_atags的功能就是初步分析传入的参数列表，判断的方法也很简单。如果这个列表起始参数是ATAG_CORE类型，则表示这是一个有效的参数列表。如果起始参数不是ATAG_CORE，就认为bootloader没有传递参数给内核或传入的参数不正确。

1) __create_page_tables

图3. 8实际内存分布图

linux内核使用页式内存管理，应用程序给出的内存地址是虚拟地址，它需要经过若干级页表一级一级的变换，才变成真正的物理地址。32位CPU的虚拟地址大小从0x0000_0000到0xFFFF_FFFF共4G。以段(1 MB)的方式建立一级页表，可以将虚拟地址空间分割成4096个段条目(section entry)。条目也称为“描述符”(Descriptor)，每一个段描述符32位，因此一级页表占用16K(0x4000)内存空间。

s3c6410处理器DRAM的地址空间从0x5000_0000开始，上文提到bootloader传递给内核的参数列表存放在RAM物理地址的头16K位置，页表放置在内核的前16K，因此内核的偏移地址为32K(0x8000)，由此构成了如图3. 8所示的实际内存分布图。

图3. 9初步页表建立流程

__create_page_tables函数初始化了一个非常简单页表，仅映射了使内核能够正常启动的代码空间，更加细致的工作将会在后续阶段完善。流程如所示，获取页表物理地址、清空页表区和建立启动参数页表通过阅读源码很容易理解，不加分析。

__enable_mmu函数使能mmu后，CPU发出的地址是虚拟地址，程序正常运行需要映射得到物理地址，为了保障正常地配置mmu，需要对这段代码1:1的绝对映射，映射范围__turn_mmu_on至__turn_mmu_on_end。正常使能mmu后，不需要这段特定的映射了，在后续C代码启动阶段时被paging_init()函数删除。建立__enable_mmu函数区域的页表代码如程序清单3. 2所示。

程序清单3. 2 __enable_mmu页表的建立

//r4 =页表物理地址

//获取段描述符的默认配置flags

ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS]

adr r0, __turn_mmu_on_loc //得到__turn_mmu_on_loc的物理地址

ldmia r0, {r3, r5, r6}

sub r0, r0, r3 //计算得到物理地址与虚拟地址的偏差

add r5, r5, r0 //修正得到__turn_mmu_on的物理地址

add r6, r6, r0 //修正得到__turn_mmu_on_end的物理地址

mov r5, r5, lsr #SECTION_SHIFT //1M对齐

mov r6, r6, lsr #SECTION_SHIFT //1M对齐

1: orr r3, r7, r5, lsl #SECTION_SHIFT //生成段描述符：flags + 段基址

str r3, [r4, r5, lsl #PMD_ORDER] //设置段描述绝对映射，物理地址等于虚拟地址。每个段描述符占4字节，PMD_ORDER = 2

cmp r5, r6

addlo r5, r5, #1 //下一段，实际上__turn_mmu_on_end - __turn_mmu_on< 1M

blo 1b

............................

__turn_mmu_on_loc:

.long . //__turn_mmu_on_loc当前位置的虚拟地址

.long __turn_mmu_on //__turn_mmu_on的虚拟地址

.long __turn_mmu_on_end //__turn_mmu_on_end的虚拟地址

建立内核的映射区页表，分析见程序清单3. 3。

程序清单3. 3内核的映射区页表的建立

//r4 =页表物理地址

mov r3, pc //r3 = 当前物理地址

mov r3, r3, lsr #SECTION_SHIFT //物理地址转化段基址

orr r3, r7, r3, lsl #SECTION_SHIFT //段基址 + flags = 段描述符

//KERNEL_START = 0xC000_8000 SECTION_SHIFT = 20 PMD_ORDER = 2

//由于arm 的立即数只能是8位表示，所有用两条指令实现了将r3存储到对应的页表项中

add r0, r4, #(KERNEL_START & 0xff000000) >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

str r3, [r0, #((KERNEL_START & 0x00f00000) >> SECTION_SHIFT) << PMD_ORDER]!

ldr r6, =(KERNEL_END - 1)

add r0, r0, #1 << PMD_ORDER

add r6, r4, r6, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER) //内核映射页表结束的段基址

1: cmp r0, r6

add r3, r3, #1 << SECTION_SHIFT //得到段描述符

strls r3, [r0], #1 << PMD_ORDER //设置段描述符

bls 1b

1) __v6_setup

__v6_setup 函数在 proc-v6.S 文件中，在页表建立起来之后，此函数进行一些使能 MMU 之前的初始化操作。

2) __enable_mmu

__v6_setup已经为使能 MMU做好了必要的准备，为了保证MMU启动后程序顺利返回，在进入__enable_mmu函数之前，已经将__mmap_switched的虚拟地址(链接地址)存储在R13中。

3) __mmap_switched

程序运行到这里，MMU已经启动，__mmap_switched函数为内核进入C代码阶段做了一些准备工作：复制数据段，清楚BSS段，设置堆栈指针，保存processor ID、machine type(bootloader中传入的)、atags pointer等。最后，终于跳转到start_kernel函数，进入C代码启动阶段。