《单片机小白转嵌入式Linux学习记录，基于S3C2440----目录》
英文参考：ARM Architecture Reference Manual
中文参考：<ARM体系结构与编程> 杜春雷
CPU模式(Mode) 状态(State)与寄存器
7种Mode： P72
usr/sys 用户模式/系统模式
undefined(und) 无定义指令模式，CPU遇到不认识的指令时会进入该模式
Supervisor(svc) 管理模式
Abort(abt) 终止模式 1. 指令预取终止 流水线预取出错 2. 数据访问终止 数据读取过程中产生的异常。
IRQ(irq) 中断模式
FIQ(fiq) 快速中断模式 有多个专用寄存器，所以中断速度比较快
2种状态：
ARM state 4字节指令
Thumb state 2字节指令 用于压缩程序代码 对小容量芯片非常有用，S3C2440芯片一般不用
寄存器：
通用寄存器
分组寄存器(banked register) 特权模式的专用寄存器 P73
当前程序状态寄存器 CPSR : (Current Program State Register) 属于通用寄存器
CPSR的备份寄存器 SPSR: (Saved Program State Register) 特权模式专用寄存器，用于保存被中断模式的CPSR 程序状态
除了 usr 其它模式均为特权模式(privileged mode)。特权模式之间可以通过修改CPSR 低5位来切换。普通模式无法修改CPSR进入特权模式。 CPSR 详见 P76
-------------------------------------------------------------------
中断属于异常的一种。异常对应不同的CPU工作模式，不同的工作模式，有不同的专有寄存器 lr、sp、spsr。
lr 保存被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址 进入异常之前硬件自动保存
sp 当前异常模式专用的栈指针, 进入异常后先设置栈指针
spsr 备份被中断状态的程序状态 进入异常之前硬件自动保存
CPU每执行完一条指令都会去检查是否有异常产生，如果有异常，就开始去处理异常。
对于不同的异常，跳去不同的地址去执行。这整个过程是有硬件决定的，这个跳转的
地址也是固定的。不同的异常跳转地址组成了异常向量表，如下：
_start:
b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
如果是中断异常，则硬件会自动跳到 0x18(ldr pc, _irq),跳转到0x18位置是由硬件决定的，0x18这个地址放什么指令是由软件决定。
我们一般在这个位置放置一条跳转命令，跳转到更复杂的程序(中断处理程序)
我们要在中断处理程序中做什么呢？
1. 保存现场 (保存寄存器数据)
2. 调用处理函数
3. 恢复现场 (恢复寄存器数据)
2 中调用的处理函数，判断中断类型，根据不同的中断类型调用不同中断理函数。
进入异常硬件动作： P79
1. 保存被中断模式的 下一条指令地址到 对应异常模式的LR专用控制器
2. 保存被中断模式的CPSR程序状态寄存器到 对应异常模式的 SPSR (状态备份 )
3. 修改CPSR中的低5位 切换到对应的异常模式。
4. 修改PC指针指向异常向量表对应的异常入口
退出异常软件操作：
1. 如果是中断产生的异常，清除中断源
2. 恢复程序状态寄存器 CPSR = SPSR(对应异常模式的程序状态备份寄存器)
3. 修改PC指针 = _LR - offset(4 or 8) 参考 P80 table 2-2
und 未定义指令异常
当CPU发现未定义指令时，会强制跳转到 0x04 地址，同时会将异常前的下一条指令地址保存在 lr_und CPSR 保存在 SPSR_und保存有被中断模式的CPSR
所以我们保存现场时要保存 lr_und 到栈中，保存现场之前要设置异常模式的栈地址。
恢复现场的时候将lr恢复到pc 将 SPSR_und恢复到CPSR
我们对start.S文件进行修改
----------------------------
_start:
b reset /* vector 0 : reset */
b do_und /* vector 4 : und */
do_und:
/* 执行到这里之前:
* 1. lr_und保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址
* 2. SPSR_und保存有被中断模式的CPSR
* 3. CPSR中的M4-M0被设置为11011, 进入到und模式
* 4. 跳到0x4的地方执行程序
*/
/* sp_und未设置, 先设置它 */
ldr sp, =0x34000000
/* 在und异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */
/* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */
stmdb sp!, {r0-r12, lr}
/* 保存现场 */
/* 处理und异常 */
mrs r0, cpsr
ldr r1, =und_string
bl printException
/* 恢复现场 */
ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /* ^会把spsr的值恢复到cpsr里 */
und_string:
.string "undefined instruction exception"
.align 4 /* 这里要加上4k 对齐 否则上面und_string数据段的长度会影响程序的正确执行 */
reset:
/* 关闭看门狗 */
ldr r0, =0x53000000
ldr r1, =0
str r1, [r0]
略……----------------------------
上面代码并不完善，我们要进行一些细节修改：
1. b do_und 函数中的 bl printException 函数有可能超出4K 范围，所以我们需要进行强制跳转到runtime addr 地址(SDRAM执行)
2. 经过反汇编代码分析知道，ldr pc,=do_und 这条指令中是将 do_und的入口地址放置在.data数据段中,数据段默认是放置在start.S .text代码段结尾，如果代码长度超过4K 并且代码是在NAND上时，ldr pc,=do_und将无法获取到do_und的入口，所以我们需要人为将入口地址放置在前面，保证程序能正确获取到入口地址。
3. 数据段 后面的代码要保持 4字节对齐，如：und_string: 中的数据长度如果有变化，会导致代码运行出错。
修改后的 start.S
----------------------------
.text
.global _start
_start:
b reset /* vector 0 : reset */
ldr pc, und_addr /* vector 4 : und */
und_addr:
.word do_und
do_und:
/* 执行到这里之前:
* 1. lr_und保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址
* 2. SPSR_und保存有被中断模式的CPSR
* 3. CPSR中的M4-M0被设置为11011, 进入到und模式
* 4. 跳到0x4的地方执行程序
*/
/* sp_und未设置, 先设置它 */
ldr sp, =0x34000000
/* 在und异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */
/* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */
stmdb sp!, {r0-r12, lr}
/* 保存现场 */
/* 处理und异常 */
mrs r0, cpsr
ldr r1, =und_string
bl printException
/* 恢复现场 */
ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /* ^会把spsr的值恢复到cpsr里 */
und_string:
.string "undefined instruction exception"
.align 4
reset:
/* 关闭看门狗 */
ldr r0, =0x53000000
ldr r1, =0
str r1, [r0]
/* 设置MPLL, FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m */
/* LOCKTIME(0x4C000000) = 0xFFFFFFFF */
ldr r0, =0x4C000000
ldr r1, =0xFFFFFFFF
str r1, [r0]
/* CLKDIVN(0x4C000014) = 0X5, tFCLK:tHCLK:tPCLK = 1:4:8 */
ldr r0, =0x4C000014
ldr r1, =0x5
str r1, [r0]
/* 设置CPU工作于异步模式 */
mrc p15,0,r0,c1,c0,0
orr r0,r0,#0xc0000000 //R1_nF:OR:R1_iA
mcr p15,0,r0,c1,c0,0
/* 设置MPLLCON(0x4C000004) = (92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
* m = MDIV+8 = 92+8=100
* p = PDIV+2 = 1+2 = 3
* s = SDIV = 1
* FCLK = 2*m*Fin/(p*2^s) = 2*100*12/(3*2^1)=400M
*/
ldr r0, =0x4C000004
ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
str r1, [r0]
/* 一旦设置PLL, 就会锁定lock time直到PLL输出稳定
* 然后CPU工作于新的频率FCLK
*/
/* 设置内存: sp 栈 */
/* 分辨是nor/nand启动
* 写0到0地址, 再读出来
* 如果得到0, 表示0地址上的内容被修改了, 它对应ram, 这就是nand启动
* 否则就是nor启动
*/
mov r1, #0
ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */
str r1, [r1] /* 0->[0] */
ldr r2, [r1] /* r2=[0] */
cmp r1, r2 /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */
ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假设是nor启动 */
moveq sp, #4096 /* nand启动 */
streq r0, [r1] /* 恢复原来的值 */
bl sdram_init
//bl sdram_init2 /* 用到有初始值的数组, 不是位置无关码 */
/* 重定位text, rodata, data段整个程序 */
bl copy2sdram
/* 清除BSS段 */
bl clean_bss
ldr pc, =sdram
sdram:
bl uart0_init
/* 故意加入一条未定义指令 */
und_code:
.word 0xeeadc0de
//bl main /* 使用BL命令相对跳转, 程序仍然在NOR/sram执行 */
ldr pc, =main /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */
halt:
b halt----------------------------
SVC异常 (SWI软中断)
一般情况下APP应该运行于usr mode 。usr受限不可访问硬件。APP想要访问硬件，必须切换mode ,通过异常(未定义异常、中断异常可遇不可求)，所以我们APP需要调用swi #val 进入svc异常。然后系统根据不同的异常标号，执行相应的操作。
怎么获取异常标号。
进入异常时 lr_svc 保存了被中断模式的下一条指令地址 ，通过lr_svc - 4 即可获取上一条指令的地址：SWI #val ，然后读取指令并对指令进行解析，即可得到VAL值 参考 P86
注释：C函数调用时会用到 r4 - r11 所以在函数调用时会被保存，函数返回时恢复，所以我们可以用r4来获取lr的值 参考第8章内容 ATPCS 寄存器使用规则
--------------------------
start.S代码
.text
.global _start
_start:
/* 中断向量表 对应工作模式 参考 P82 */
b reset /* vector 0x00 : reset svc 复位 管理模式*/
ldr pc, _undefined_instruction /* vector 0x04 : und 无定义指令模式 */
ldr pc, _software_interrupt /* vector 0x08 : swi svc 软中断 管理模式 */
b reset /* vector 0x0C : abt(prefetch) 终止模式 预取终止 */
b reset /* vector 0x10 : abt(data) 终止模式 数据终止 */
b reset /* vector 0x14 : Reserved 保留 */
b reset /* vector 0x18 : IRQ 中断模式 */
b reset /* vector 0x1C : FIQ 快速中断模式 */
/* 将函数的入口放置在前面，如果不定义默认放置在.text 段的
* 末尾 ，start.S 汇编后超过4k 在NAND启动时CPU有可能无法
* 读取到入口
*/
_undefined_instruction:
.word undefined_instruction /* 保存入口地址。运行时地址，会跳转到SDRAM执行 */
_software_interrupt:
.word software_interrupt
undefined_instruction:
/* 执行到这里之前:
* 1. lr_und保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址
* 2. SPSR_und保存有被中断模式的CPSR
* 3. CPSR中的M4-M0被设置为11011, 进入到und模式
* 4. 跳到0x04的地方执行程序
*/
/* sp_und未设置, 先设置它 */
ldr sp, =0x34000000
/* 保存现场 */
/* 在und异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */
/* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */
stmdb sp!, {r0-r12, lr}
/* 处理und异常 */
mrs r0, cpsr // 获取程序状态寄存器 传递给 printState
bl printState
/* 恢复现场 */
ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /* ^会把spsr的值恢复到cpsr里 */
software_interrupt:
/* 执行到这里之前:
* 1. lr_swi保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址
* 2. SPSR_swi保存有被中断模式的CPSR
* 3. CPSR中的M4-M0被设置为10011, 进入到swi模式
* 4. 跳到0x08的地方执行程序
*/
/* sp_swi未设置, 先设置它 */
ldr sp, =0x33f00000
/* 保存现场 */
/* 在swi异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */
/* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */
stmdb sp!, {r0-r12, lr}
/* 处理swi异常 */
/* C函数调用时会用到 r4 - r11 所以在函数调用时会被保存，函
* 数返回时恢复，所以我们可以用r4来获取lr的值 参考第8章内
* 容 ATPCS 寄存器使用规则
*/
mov r4, lr // 将lr 返回地址 保存到 r4 sub r0, r4, #4 获取触发SWI异常的指令 ，根据指令获取传递进来的软中断号
mrs r0, cpsr // 获取程序状态寄存器 传递给 printState
bl printState
/* 获取软中断号 */
sub r0, r4, #4
bl getSWIVal
/* 恢复现场 */
ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /* ^会把spsr的值恢复到cpsr里 */
/* 上面打印字符串长度有可能不是4字节对齐，所以这里要强
* 制4字节对齐，否则程序可能会出错
*/
.align 4
reset:
/* 关闭看门狗 */
ldr r0,=0x53000000
ldr r1,=0
str r1,[r0]
/* PLL配置---------------------------- */
/* 设置MPLL,FCLK:HCLK:PCLK=400M:100M:50M */
/* 设置lock time 详见手册P255
* LCOKTIME(0x4c000000)=0xFFFFFFFF
*/
ldr r0,=0x4c000000
ldr r1,=0xFFFFFFFF
str r1,[r0]
/* 设置HCLK、PCLK 相对于FCLK的分频系数 详见手册P260
* CLKDIVN(0x4c000014)=0x05 tFCLK:tHCLK:tPCLK=1:4:8
*/
ldr r0,=0x4c000014
ldr r1,=0x05
str r1,[r0]
/* 设置CPU工作于异步模式
* 详见手册P244
*/
mrc p15,0,r0,c1,c0,0
orr r0,r0,#0xc0000000 //R1_nF:OR:R1_iA
mcr p15,0,r0,c1,c0,0
/* 配置MPLLCON 来设置FCLK频率 详见手册P255~256
* 设置MPLLCON(0x4c000004)=(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
* m = MDIV+8 = 92+8 =100
* p = PDIV+2 =1+2 =3
* s = SDIV = 1
* FCLK = 2*m*Fin/(p*2^s)=2*100*12/(3*2^1)=400MHz
*/
ldr r0,=0x4c000004
ldr r1,=(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
str r1,[r0]
/* 一旦设置PLL,就会锁定 lock time 直到PLL输出稳定 */
/* PLL配置--END-------------------------- */
/* 设置内存：sp 栈 */
/* 分辨是nor/nand启动
* 写0到0地址，再读出来；如果读出来是0，表示
* 操作是内部RAM，是nand启动；否则就是nor启动
* 因为nor flash 不向内存那样能直接读写
*/
mov r1,#0
ldr r0,[r1] /* 备份0地址数据 */
str r1,[r1] /* 将0写入0地址 */
ldr r2,[r1] /* 读取0地址数据到r2 */
cmp r1,r2 /* 判断r1 r2是否相等 */
ldr sp,=0x40000000+4096 /* 假设nor启动 */
moveq sp,#4096 /* 如果r1==r2 nand启动 */
streq r0,[r1] /* 恢复原来的值 */
/* 整个程序重定位 */
bl sdram_init /* 初始化SDRAM 否则下面无法搬运数据 */
bl copy2sdram /* .text .rodata .data 段数据拷贝 */
bl clean_bss /* .bss 段清除 */
/* 复位之后, cpu处于svc模式
* 现在, 切换到usr模式
*/
mrs r0, cpsr /* 读出cpsr */
bic r0, r0, #0xf /* 修改M4-M0为0b10000, 进入usr模式 */
msr cpsr, r0
/* 设置 sp_usr */
ldr sp, =0x33e00000
bl uart0_init /* 故障代码中调用了串口打印，所以先初始化串口 */
und_code:
.word 0xeeadc0de /* 未定义指令 P86 指令集格式 原代码 0xdeadc0de 有误 参考：http://www.100ask.org/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=20299&highlight=und%D2%EC%B3%A3 */
/* 获取当前状态的CPSR */
mrs r0, cpsr // 获取程序状态寄存器 传递给 printState
bl printState
swi 0x123 /* 执行此命令, 触发SWI异常, 进入0x8执行 */
.align 4
/* 调用main函数 */
ldr pc, =main /* 绝对跳转, 跳到SDRAM 运行 */
/* 死循环 */
halt:
b halt相关 C 函数代码
/* 当前状态打印 P78 */
void printState(unsigned int cpsr)
/* 获取SWI 异常参数 */
void getSWIVal(unsigned int *pSWI)
串口打印相关的函数请参考我前面的文章
/* 当前状态打印 P78 */
void printState(unsigned int cpsr)
{
puts("cpsr = ");
printHex(cpsr);
puts(" ");
switch(cpsr&0x1F) // M[4:0]
{
case 0x10: puts(" User State !\n\r"); break;
case 0x11: puts(" FIQ State !\n\r"); break;
case 0x12: puts(" IRQ State !\n\r"); break;
case 0x13: puts(" Supervisor State !\n\r"); break;
case 0x17: puts(" Abort State !\n\r"); break;
case 0x1B: puts(" Undefined State !\n\r"); break;
case 0x1F: puts(" System State !\n\r"); break;
default: puts(" error State !\n\r");break;
}
}
/* 获取SWI 异常参数 */
void getSWIVal(unsigned int *pSWI)
{
puts("SWI val = ");
printHex(*pSWI & ~0xff000000);
puts("\n\r");
}-----------------------------------------------------------------
# gcc Thumb 指令集 编译 不重要可以跳过
由于Thumb 是压缩的指令集，所以代码体积比较小
.c 代码编译
修改makeflie 添加编译选项 -mthumb
------------
%.o : %.c
arm-linux-gcc -mthumb -c -o $@ $<
-----------
.s 代码编译
.cdoe 32 表示使用arm 指令集编译
-----------
.text
.global _start
.code 32 //使用ARM
_start:
……
-----------
.code 16 表示使用thumb 指令集编译
-----------
……
.code 16
thumb_func:
bl sdram_init
……
-----------
怎么从 arm state 切换到 thumb state 状态运行
用bx 跳转 如果跳转地址的bit0 =1 则切换到 thumb state 运行
-----------
……
adr r0,thumb_fun
add r0,r0,#1
bx r0
……
-----------
thumb 编译事项
1. 不能用 ldr pc,=main 跳转到main函数，需要：
ldr r0,=main
mov pc,r0
2. cpy2mem 数组 前添加 const static 修饰 防止编译出错。
-----------------------------------------
最近编辑记录 xinxiaoci (2018-05-16 14:37:35)
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