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macOS 下的 ARM 裸机嵌入式开发入门- 第二部分：实现第一个裸机应用并且调试

article 2024/11/14 3:00:24

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1、准备二进制运行程序镜像

利用 QEMU 仿真一个完整的系统，并创建最简单的“Hello world!”示例。

QEMU 模拟器支持 VersatilePB 平台，该平台包含一个 ARM926EJ-S 核心，以及其他外设，四个 UART 串行端口；特别是第一个串行端口（UART0）在使用 -nographic 或 “-serial stdio” qemu 选项时充当终端。UART0 被映射的地址：0x101f1000。

为了实现简单的“Hello world!”打印，编写test.c 文件如下：

volatile unsigned int * const UART0DR = (unsigned int *)0x101f1000;

void print_uart0(const char *s) {
    while(*s != '\0') { /* 循环直到字符串结束 */
        *UART0DR = (unsigned int)(*s); /* 传输字符 */
        s++; /* 下一个字符 */
    }
}

void c_entry() {
    print_uart0("Hello world!\n");
}

代码非常简单；一些细节：

volatile 关键字是必要的，以指示编译器 UART0DR 指向的内存可以独立于程序改变或产生影响。 unsigned int类型强制执行 32 位读写访问。
QEMU 模型的 PL011 串行端口忽略了传输 FIFO 功能；在实际的系统芯片中，必须在
UARTFR 寄存器中检查“传输 FIFO 满”标志，然后才在 UARTDR 寄存器上写入。
-kernel 选项将二进制文件（通常是 Linux 内核）加载到系统内存中，从地址0x00010000 开始。模拟器从地址 0x00000000 开始执行，其中一些指令（已经就位）用于跳转到内核映像的开头。ARM核心的中断表通常位于地址 0x00000000。

startup.s 汇编器文件内容如下：

.global _Reset
_Reset:
    LDR sp, =stack_top
    BL c_entry
    B .

链接器脚本 test.ld：

ENTRY(_Reset)
SECTIONS
{
    . = 0x10000;
    .startup . : { startup.o(.text) }
    .text : { *(.text) }
    .data : { *(.data) }
    .bss : { *(.bss COMMON) }
    . = ALIGN(8);
    . = . + 0x1000; /* 4kB 的堆栈内存 */
    stack_top = .;
}

运行的命令，生成相应的elf和bin文件：

$ arm-none-eabi-as -mcpu=arm926ej-s -g startup.s -o startup.o
$ arm-none-eabi-gcc -c -mcpu=arm926ej-s -g test.c -o test.o
$ arm-none-eabi-ld -T test.ld test.o startup.o -o test.elf
$ arm-none-eabi-objcopy -O binary test.elf test.bin

2、执行和调试二进制文件

在模拟器中运行程序，命令是：

$ qemu-system-arm -M versatilepb -m 128M -nographic -kernel test.bin

-M 选项指定了被模拟的系统。程序在终端打印 “Hello world!” 并无限期运行；要退出 QEMU，请按 “Ctrl + a” 然后按 “x”。

QEMU 实现了一个使用 TCP 连接的 gdb 连接器。按照以下方式运行模拟器：

$ qemu-system-arm -M versatilepb -m 128M -nographic -s -S -kernel test.bin

此命令在执行任何客户代码之前冻结系统，并在 TCP 端口 1234 上等待连接。从另一个终端，我运行 arm-none-eabi-gdb 并输入命令：

target remote localhost:1234
file test.elf

这连接到 QEMU 系统并加载测试程序的调试符号，其二进制图像已经加载在系统内存中。从那里，可以使用 continue 命令运行程序，单步执行程序并进行一般调试。gdb 中的 exit 命令关闭了调试器和模拟器。
编译和运行命令的参考结果见下图，左边是编译和执行的情况，右边是用arm-none-eabi-gdb工具调试的情况：
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