I.MX6U 裸机开发5.准备C环境并用C语言控制LED

一、C运行环境

1. 设置处理器模式

在Cortex-A 的架构中一共有9种处理模式，如下表所示：

I.MX6ULL 处理器中，可以通过修改 CPSR（Current Program Status Register）寄存器的模式位来设置处理器模式。以下是一些常见模式的设置方法：
进入用户模式 (User Mode)

MRS R0, CPSR        ; 读取当前 CPSR 寄存器值到 R0
BIC R0, R0, #0x1F   ; 清除模式位
ORR R0, R0, #0x16   ; 设置模式位为 Monitor Mode (0b10110)
MSR CPSR_c, R0      ; 将修改后的值写回 CPSR 寄存器

2. CPSR 寄存器

CPSR（Current Program Status Register）用于存储当前程序的状态信息。它包含了处理器模式、条件标志、中断屏蔽位等信息。

CPSR 寄存器结构

CPSR 是一个 32 位的寄存器，其各个位的含义如下：

模式位

模式位用于设置处理器的工作模式，常见的模式及其对应的值如下：

MRS 指令

MRS（Move Register from Special register）指令用于将特殊寄存器（如 CPSR 或 SPSR）的值移动到通用寄存器中。常用于读取当前程序状态寄存器（CPSR）或保存程序状态寄存器（SPSR）的值。

MSR 指令

MSR（Move Special register from Register）指令用于将通用寄存器的值移动到特殊寄存器中。常用于修改 CPSR 或 SPSR 的值。

3. 设置SP指针

在 ARM 处理器中，SP（Stack Pointer）指针用于指向当前栈的顶部。设置 SP 指针通常用于初始化栈或切换栈。以下是一些常见的设置 SP 指针的方法：

设置 SP 指针

可以使用 MOV 指令将一个值加载到 SP 寄存器中，以设置栈指针的位置。

示例

; 将栈指针设置为地址 0x8000
MOV SP, #0x8000

保存和恢复 SP 指针

在某些情况下，可能需要保存当前的 SP 指针值，并在稍后恢复它。可以使用通用寄存器来保存和恢复 SP 指针。

示例

; 保存当前的 SP 指针值到 R0
MOV R0, SP

; 执行一些操作，可能会改变 SP 指针

; 恢复 SP 指针值
MOV SP, R0

SP可以指向内部RAM，也可以指向DDR内存。 对于512M的DDR来说，内存范围是 0x80000000~0x9FFFFFFF，栈大小一般设置为2M，由于A7栈是向下增长的，可以将SP设置为 0x80200000。

4. 跳转到C语言

一般跳到 main 函数，下面是一个示例：

.global _start
.extern main

_start:
    /* 设置栈指针 */
    LDR SP, =0x8000

    /* 调用 C 语言的 main 函数 */
    BL main

    /* 死循环，防止程序返回 */
1:  B 1b

二、程序编写

1. 启动文件 start.S

.global __start

__start:
    /** 设置处理进入 SVC 模式 */
    MRS R0, CPSR        /** 读取当前的 CPSR */
    BIC R0, R0, #0x1F   /** 清除 CPSR 的低 5 位 */
    ORR R0, R0, #0x13   /** 设置 CPSR 为 SVC 模式 */
    MSR CPSR, R0        /** 设置 CPSR */

    /** 设置堆栈 */
    LDR R0, =0x80200000
    B main

2. main.h 定义寄存器

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// Created by Xundh on 2024/11/9.
//

#ifndef LEARN_I_MX6U_MAIN_H
#define LEARN_I_MX6U_MAIN_H

/** 定义要使用的寄存器 **/
#define CCM_CCGR0 (*(volatile unsigned int *)0x020C4068)
#define CCM_CCGR1 (*(volatile unsigned int *)0x020C406C)
#define CCM_CCGR2 (*(volatile unsigned int *)0x020C4070)
#define CCM_CCGR3 (*(volatile unsigned int *)0x020C4074)
#define CCM_CCGR4 (*(volatile unsigned int *)0x020C4078)
#define CCM_CCGR5 (*(volatile unsigned int *)0x020C407C)
#define CCM_CCGR6 (*(volatile unsigned int *)0x020C4080)

/** IOMUXC 寄存器地址 **/
#define IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 (*(volatile unsigned int *)0x020E0068)
#define IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03 (*(volatile unsigned int *)0x020E02F4)

/** GPIO1 寄存器地址 **/
#define GPIO1_DR   (*(volatile unsigned int *)0x0209C000)
#define GPIO1_GDIR (*(volatile unsigned int *)0x0209C004)
#define GPIO1_PSR  (*(volatile unsigned int *)0x0209C008)

#endif //LEARN_I_MX6U_MAIN_H

3. 主程序main.c

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// Created by Xundh on 2024/11/9.
//
#include "main.h"
/**
 * 使能时钟
 * @return
 */
int enable_clock(void){
    CCM_CCGR1 = 0xffffffff;
    CCM_CCGR2 = 0xffffffff;
    CCM_CCGR3 = 0xffffffff;
    CCM_CCGR4 = 0xffffffff;
    CCM_CCGR5 = 0xffffffff;
    CCM_CCGR6 = 0xffffffff;

    return 0;
}
/**
 * 初始化LED
 * @return
 */
 void init_led(void){
    IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 = 0x5; // 设置复用为GPIO1_IO03
    IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03 = 0x10B0;  // 设置电气属性
    GPIO1_GDIR |= (1<<3);   // 设置为输出
}
void led_on(void){
    GPIO1_DR &= ~(1<<3);
}
void led_off(void){
    GPIO1_DR |= (1<<3);
}
void delay(volatile unsigned int n){
    while(n--);
}
int main(void){
    /** 初始化LED **/
    enable_clock();

    // 初始化LED
    init_led();

    while(1){
        led_on();
        delay(500);
        led_off();
        delay(500);
    }

    return 0;
}

4. Makefile

objs = start.o main.o

ledc.bin : $(objs)
	# 把.o文件链接成.elf文件, 其中的 $^ 代表所有的.o文件
	arm-linux-gnueabihf-ld -T linker.ld $^ -o ledc.elf
	# 把.elf文件转换成.bin文件
	arm-linux-gnueabihf-objcopy -O binary -S ledc.elf $@
	# 把.elf文件转换成.dis文件
	arm-linux-gnueabihf-objdump -D ledc.elf > ledc.dis

%.o : %.c
	# 把.c文件编译成.o文件, 其中的 $@ 代表目标文件, $< 代表第一个依赖文件
	arm-linux-gnueabihf-gcc -Wall -nostdlib -c -O2 -o $@ $<

%.o : %.S
	# 把.S文件编译成.o文件
	arm-linux-gnueabihf-gcc -Wall -nostdlib -c -O2 -o $@ $<

clean:
	rm -f *.bin *.o *.dis *.elf

download:
	../tools/imxdownload ledc.bin /dev/sdb

5. 链接文件 linker.ld

上面的 Makefile 直接编译的话，会出现 0x87800000 地址放的不是 _start 函数，而是 main 函数。为了确保 0x87800000，需要使用链接脚本 。

链接脚本（linker script）是用于控制链接器（如 ld）如何将目标文件（object files）链接成可执行文件的脚本，链接脚本通常以 .ld 为扩展名，主要有以下作用：

1. 定义内存布局：指定程序各个段（如 .text、.data、.bss）在内存中的位置。
2. 设置入口点：指定程序的入口点，即程序开始执行的地址。
3. 分配段：将目标文件中的段分配到内存中的特定位置。
4. 定义符号：可以定义一些符号，用于在程序中引用特定的内存地址。

以下是本示例使用的链接脚本文件 linker.ld：

SECTIONS
{
    . = 0x87800000; /* 起始地址 */

    .text : {
        *(.text)
    }

    .data : {
        *(.data)
    }

    .bss : {
        *(.bss)
    }

    . = ALIGN(8);
    __stack_top = .; /* 定义栈顶 */
}

ENTRY(_start) /* 指定入口点为 _start */

本次实验使用的链接脚本 文件：

SECTIONS{
    . = 0x87800000;
    .text :
    {
        start.o
        *(.text)
    }
    .rodata ALIGN(4) : {*(.rodata*)}
    .data ALIGN(4) : {*(.data)}
    __bss_start=.;
    .bss ALIGN(4) : {*(.bss) *(COMMON)}
    __bss_end=.;
}

定位计数器

链接脚本中的定位计数器（location counter）是一个特殊的符号，用于跟踪当前分配的内存地址。它通常用 . 表示，并在链接脚本中用于定义段的起始地址和大小。上例中：
. = 0x87800000 , 前面的点就是定位计数器，设置定位计数器的初始值为 0x87800000，表示从这个地址开始分配内存。

.text

.text : {
    start.o
    *(.text)
}

定义 .text 段，包含 start.o 和所有 .text 段的内容。定位计数器会自动增加，以跟踪分配的内存地址。
*(.text)表示所有程序源代码编译出来的段。

.rodata 段

只读数据段，如字符串变量，使用const关键字定义的全局或静态变量。

.rodata ALIGN(4) : {
    *(.rodata*)
}

定义 .rodata 段，并将其对齐到 4 字节边界。定位计数器会更新为 .text 段结束后的地址，并对齐到 4 字节。
其中前面一个* 表示匹配所有的输入文件，
(.rodata*)表示匹配所有以.rodata 开头的段，如 .rodata,rodata1,.rodata2。

.data数据段

.data ALIGN(4) : {
    *(.data)
}

定义 .data 段，并将其对齐到 4 字节边界。定位计数器会更新为 .rodata 段结束后的地址，并对齐到 4 字节。

.bss段

__bss_start = .;
.bss ALIGN(4) : {
    *(.bss)
    *(COMMON)
}
__bss_end = .;

记录 .bss 段的起始地址为 __bss_start，然后定义 .bss 段，并将其对齐到 4 字节边界。定位计数器会更新为 .data 段结束后的地址，并对齐到 4 字节。最后，记录 .bss 段的结束地址为 __bss_end。

*(.bss)：匹配所有输入文件中的 .bss 段，并将其内容放入输出文件的 .bss 段中。在输入文件中，未初始化的全局变量和静态变量会被放入 .bss 段。 这些变量在编译时会被放入 .bss 段，并在程序启动时被初始化为零。

6. 编译烧写测试

按第3课操作，将程序烧写到SD卡，可以看到LED1在闪烁。

本文代码开源地址：
https://gitee.com/xundh/learn_i.mx6u.git