树莓派4裸机基础教程:从hello world开始

1.前言
2.项目工程介绍
- 2.1 Makefile
- 2.2 link.ld 链接文件
3.从CPU的角度看代码的运行
- 3.1 start.S文件
- 3.2 main函数的功能
4.树莓派4串口外设程序
- 4.1 设置gpio的功能
- 4.2 配置串口控制器
5.总结

1.前言

当我们去研究一个系统的时候，首先需要从最简单的程序开始入手。前面文章的介绍已经描述了项目的环境搭建以及启动过程。

本文主要从最简单的裸机代码开始分析，让板子的串口可以输出hello world信息。这篇文章会介绍工程的构建，程序的运行等等一些列的流程，以及树莓派4最后如何输出hello world。在嵌入式开发的过程中，往往都是万事开头难，只有看到了程序正在运行的那一刻，后面的工作也就迎刃而解了。

2.项目工程介绍

我们还是以第一个1.compilation_environment的工程作为研究对象。工程的地址在下面的链接中：

https://github.com/bigmagic123/raspi4-bare-metal.git

最后的工程文件如下所示：

2.1 Makefile

我们通过Makefile进行相关工程的构建，使用make生成kernel可执行程序文件。对于这种简单的工程，使用Makefile进行工程的构建是很简单的，对于复杂的工程，可以使用scons或者cmake等更加高级的工具，进行工程的构建。

首先来看一下Makefile中的内容:

SRCS = $(wildcard *.c)
OBJS = $(SRCS:.c=.o)
CFLAGS = -march=armv8-a -mtune=cortex-a72 -Wall -O2 -ffreestanding -nostdinc -nostdlib -nostartfiles

all: clean kernel7.img

start.o: start.S
 arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c start.S -o start.o

%.o: %.c
 arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c $< -o $@

kernel7.img: start.o $(OBJS)
 arm-none-eabi-ld -nostdlib -nostartfiles start.o $(OBJS) -T link.ld -o kernel7.elf
 arm-none-eabi-objcopy -O binary kernel7.elf kernel7.img

clean:
 rm kernel7.elf kernel7.img *.o >/dev/null 2>/dev/null || true

分析一下这个文件的细节：

SRCS = $(wildcard *.c)

其中使用wildcard这个函数来获取当前文件夹中所有的.c文件的列表放在SRCS目录中。

OBJS = $(SRCS:.c=.o)

该句表示环境变量的替换，就是将SRCS列表中的所有的.c文件名替换成.o文件名。

all: clean kernel7.img

当使用make或者make all的时候，会执行clean与kernel7.img对应的命令的指令。

start.o: start.S
 arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c start.S -o start.o

根据makefile的语法规则这个解释应该是

目标:源
   指令

由于前面的定义只定义了C语言的代码，所以这里也需要将汇编语言的编译加进去。

%.o: %.c
 arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c $< -o $@

其中$<表示第一个依赖文件的名词，$@表示目标文件的名词。

kernel7.img: start.o $(OBJS)
 arm-none-eabi-ld -nostdlib -nostartfiles start.o $(OBJS) -T link.ld -o kernel7.elf
 arm-none-eabi-objcopy -O binary kernel7.elf kernel7.img

通过arm-none-eabi-ld链接所以的.o文件。arm-none-eabi-objcopy用于生成在arm平台上运行的可执行程序，另外的作用就是去掉一些符号信息。

clean:
 rm kernel7.elf kernel7.img *.o >/dev/null 2>/dev/null || true

用于清理编译过程中的中间文件。

2.2 link.ld 链接文件

由于程序的编译之后，需要进行链接，link文件告诉了程序链接的规则。下面看一下链接文件的内容：

SECTIONS {
	/*
	* First and formost we need the .init section, containing the code to
        * be run first. We allow room for the ATAGs and stack and conform to
        * the bootloader's expectation by putting this code at 0x8000.
	*/
    . = 0x8000;
    .text : {
        KEEP(*(.text.boot))
        *(.text .text.* .gnu.linkonce.t*)
    }

	/*
	* Next we put the data.
	*/
	.data : {
		*(.data)
	}

  .bss : {
        . = ALIGN(16);
        __bss_start = .;
        *(.bss*)
        *(COMMON*)
        __bss_end = .;
    }
}
__bss_size = (__bss_end - __bss_start) >> 3;

程序分为代码段(.text)，数据段(.data)以及bss段(.bss)。首先将代码段的地址. = 0x8000;指向0x8000的地址处，因为默认情况下，树莓派默认启动后，会从0x8000这个地址处开始加载程序并启动。KEEP(*(.text.boot))表示首先将.text.boot的内容放在第一个地址处，目前开始的地址是0x8000。需要注意的是.bss段包含的是初始化为零的数据，通过将这些数据放在一个单独的节中，编译器可以在elf文件中省略一些空间。所以需要记录bss_start与bss_end段。并且将这段空间对齐。如果不对齐，一些函数访问的时候，将会出现异常数据。

3.从CPU的角度看代码的运行

要想真正的理解CPU的执行代码的流程，必须将自己的当作CPU去执行代码的逻辑。

3.1 start.S文件

在start.S文件中，设置了CPU的一些状态，为后续的程序执行准备了环境。

.equ Mode_USR,        0x10
.equ Mode_FIQ,        0x11
.equ Mode_IRQ,        0x12
.equ Mode_SVC,        0x13
.equ Mode_ABT,        0x17
.equ Mode_UND,        0x1B
.equ Mode_SYS,        0x1F

.section ".text.boot"
/* entry */
.globl _start
_start:
/* Check for HYP mode */
    mrs r0, cpsr_all
    and r0, r0, #0x1F
    mov r8, #0x1A
    cmp r0, r8
    beq overHyped
    b continue

overHyped: /* Get out of HYP mode */
    adr r1, continue
    msr ELR_hyp, r1
    mrs r1, cpsr_all
    and r1, r1, #0x1f    ;@ CPSR_MODE_MASK
    orr r1, r1, #0x13    ;@ CPSR_MODE_SUPERVISOR
    msr SPSR_hyp, r1
    eret

continue:
    /* Suspend the other cpu cores */
    mrc p15, 0, r0, c0, c0, 5
    ands r0, #3
    bne _halt

    /* set the cpu to SVC32 mode and disable interrupt */
    cps #Mode_SVC

    /* disable the data alignment check */
    mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
    bic r1, #(1<<1)
    mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0

    /* set stack before our code */
    ldr sp, =_start

    /* clear .bss */
    mov     r0,#0                   /* get a zero                       */
    ldr     r1,=__bss_start         /* bss start                        */
    ldr     r2,=__bss_end           /* bss end                          */

bss_loop:
    cmp     r1,r2                   /* check if data to clear           */
    strlo   r0,[r1],#4              /* clear 4 bytes                    */
    blo     bss_loop                /* loop until done                  */

    /* jump to C code, should not return */
    ldr     pc, _main
    b _halt

_main:
    .word main

_halt:
    wfe
    b _halt

分别来看一下这些代码具体的细节。

.section ".text.boot"

表示该段标志为.text.boot，这里表示该文件夹会在链接脚本中链接到开头的地址中。然后将_start指定到0x8000的地址处。

/* entry */
.globl _start
_start:
/* Check for HYP mode */
    mrs r0, cpsr_all
    and r0, r0, #0x1F
    mov r8, #0x1A
    cmp r0, r8
    beq overHyped
    b continue

overHyped: /* Get out of HYP mode */
    adr r1, continue
    msr ELR_hyp, r1
    mrs r1, cpsr_all
    and r1, r1, #0x1f    ;@ CPSR_MODE_MASK
    orr r1, r1, #0x13    ;@ CPSR_MODE_SUPERVISOR
    msr SPSR_hyp, r1
    eret

从树莓派启动第一行代码的时候，此时是处于虚拟化模式的，从cpsr_all寄存器中可以读到当前的状态。此时需要退出虚拟化模式。使其运行在Supervisor模式。用eret指令将模式进行切换。

/* Suspend the other cpu cores */
mrc p15, 0, r0, c0, c0, 5
ands r0, #3
bne _halt

因为刚开始的时候，树莓派4是支持4核的，由于当前并不需要这么多核的功能，所以可以让其他的核进入low-power standby低功耗模式WFE(Wait for event)。

/* set the cpu to SVC32 mode and disable interrupt */
cps #Mode_SVC

/* disable the data alignment check */
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
bic r1, #(1<<1)
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0

接着关闭中断、关闭非对齐检查。为后续的代码运行准备环境。

/* set stack before our code */
ldr sp, =_start

接着设置sp的栈指针，ldr sp, =_start表示将栈指针设置到_start段的地址这里，由于布局的时候，将_start的代码段的地址设置为0x8000，又因为arm上sp栈指针是向低地址方向增长，sp指向的是栈顶。所以我们可以认为0x8000地址之前的空间都是未被使用的，可以作为C语言执行的栈空间使用。

    /* clear .bss */
    mov     r0,#0                   /* get a zero                       */
    ldr     r1,=__bss_start         /* bss start                        */
    ldr     r2,=__bss_end           /* bss end                          */

bss_loop:
    cmp     r1,r2                   /* check if data to clear           */
    strlo   r0,[r1],#4              /* clear 4 bytes                    */
    blo     bss_loop                /* loop until done                  */

接着清空BSS段,BSS段通常是指用来存放程序中未初始化的或者初始化为0的全局变量和静态变量的一块内存区域。特点是可读写的,在程序执行之前BSS段会自动清0。

/* jump to C code, should not return */
ldr     pc, _main

然后设置PC指针。使用ldr pc, _main指令，将_main函数的指针，指向pc。这样下次再执行PC程序的时候就直接执行main函数了。

3.2 main函数的功能

在前面的汇编代码中，为C语言代码执行提供了环境，包括关闭非对齐检查、设置了栈SP的地址、清零了BSS段。这些都是为C代码的执行做准备。在C语言中做了具体的业务。由于目前的裸机代码比较的简单，所以业务也比较容易。

#include "uart.h"

void main()
{
    // set up serial console
    uart_init();
    
    // say hello
    uart_puts("Hello World!n");
    
    // echo everything back
    while(1) {
        uart_send(uart_getc());
    }
}

这个代码就是通过串口输出一个hello world!，然后在while中不断的读串口的输入。那么重点还是放在树莓派串口的初始化上。

4.树莓派4串口外设程序

在做嵌入式的时候，我们总是希望设备与自己是有交互的，比如点亮一个led，或者用串口输出一段字符等等。这都表示程序正常运行。所以会写简单的交互程序也非常的重要。一般比较简单的就是led的呼吸灯。这里用串口，可以做人机交互的信息可以更加的丰富。下面我们来分析一下串口的程序的实现。

在写外设的驱动程序之前，首先需要查看芯片的Peripherals manual。这里查看rpi_DATA_2711_1p0.pdf即可。根据外设空间分布的地址，可以查看如下：

这里由于使用32位的地址空间，根据数据手册，得到芯片的外设的地址的起始地址为0xFE000000。

如果要使用串口，必须要有两个先决条件：

1.相关的gpio配置成串口复用功能

2.配置串口控制器参数

4.1 设置gpio的功能

对于树莓派的gpio，找到对应的地址后，还需要找到其对应的功能。

首先查看树莓派上对应的硬件引脚：

对应的功能如下所示：目前串口使用的硬件引脚为14号与15号引脚。

需要设置的复用功能为ALT5。

有了这些信息之后，就可以配置GPFSEL1的功能了。

/**
 * gpio14 RX gpio15 TX
 */
void uart_gpio_init()
{
    register unsigned int r;
    /* map UART1 to GPIO pins */
    r=*GPFSEL1;
    r&=~((7<<12)|(7<<15)); // gpio14, gpio15
    r|=(2<<12)|(2<<15);    // alt5
    *GPFSEL1 = r;
    *GPPUD = 0;            // enable pins 14 and 15
    r=150; while(r--) { asm volatile("nop"); }
    *GPPUDCLK0 = (1<<14)|(1<<15);
    r=150; while(r--) { asm volatile("nop"); }
    *GPPUDCLK0 = 0;        // flush GPIO setup
    *AUX_MU_CNTL = 3;      // enable Tx, Rx
}

在树莓派中，首先需要选择使能哪些引脚，然后配置成什么模式。对着手册查看，就知道设置这些寄存器位的具体含义了。

4.2 配置串口控制器

串口控制器是需要配置的，目前使用的是AUX的串口控制器，也就是使用的mini UART。所以需要配置串口的一些参数信息。比如串口的波特率、位宽、停止位等等。

 */
void uart_init()
{
    /* initialize UART1 */
    *AUX_ENABLE |=1;       // enable UART1, AUX mini uart
    *AUX_MU_CNTL = 0;
    *AUX_MU_LCR = 3;       // 8 bits
    *AUX_MU_MCR = 0;
    *AUX_MU_IER = 0;
    *AUX_MU_IIR = 0xc6;    // disable interrupts
    *AUX_MU_BAUD = 270;    // 115200 baud
    uart_gpio_init();
}

目前串口不需要使用中断，所以收发数据都直接从串口的fifo中进行获取。

发送数据

/**
 * Send a character
 */
void uart_send(unsigned int c) {
    /* wait until we can send */
    do{asm volatile("nop");}while(!(*AUX_MU_LSR&0x20));
    /* write the character to the buffer */
    *AUX_MU_IO=c;
}

判断当前fifo是否有数据，如果没有就发送到串口的fifo。

char uart_getc() {
    char r;
    /* wait until something is in the buffer */
    do{asm volatile("nop");}while(!(*AUX_MU_LSR&0x01));
    /* read it and return */
    r=(char)(*AUX_MU_IO);
    /* convert carrige return to newline */
    return r=='r'?'n':r;
}

从串口的fifo中读取字符。

5.总结

从树莓派4的hello world程序分析，详细的描述了串口的输出信息到控制台的过程。前期的c语言运行环境的准备阶段是很多同等系列的芯片都需要去做的事情，后面外设的初始化可能会和具体的硬件平台相关。但是从整体上来看，整个流程还是比较通用的。在不同的芯片与不同的架构上，都需要去做这些基本操作。

本文从最小系统的角度描述了系统启动过程，配置寄存器参数需要对着手册查看，这里也不进行过多的分析，总之多看手册才是学会使用一款芯片的必经之路，只有反复的看，反复的思考理解，才能使用得当。欧阳修《卖油翁》里说到：无他,但手熟尔。