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ARM菜鸟成长记——新手入门ARM学习过程分享

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发表于 2015-6-5 09:56:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
从开始搞ARM到现在将近半年多了,第一个项目搞得有些眉目了,终于感觉像是入门了,半年来,有开始的新鲜,中间的苦闷,到最后的欣喜。其中过程可谓曲折离奇,遇到了很到前人没有遇到过的疑难杂症,当然很多时候是因为我的粗心酿成的。曾经也有过放弃的念头,那个焦虑,像得了狂躁症一样。后来下定决心即使绩效没了,工作丢了也要搞完它。其实在这个过程中,看到跟我一样的很多新人在论坛上发帖求助,可是很多时候回者寥寥无几,可能问题太幼稚,也可能问题描述的不清楚。我发过很多帖子,甚至直接骚扰了网上很多的牛人,他们都给了我很大的帮助,但是我当时的想法太简单了,总想着某个牛人能够解决掉这个问题,现在想想,即使是牛人,没有看到具体的问题也很难给你一个解决方法,遇到困难不能把希望完全寄托在别人身上,要挖掘自身潜力,一遍遍仔细看手册,反复试验,不断思考,问题肯定能解决掉,只是时间问题而已。再次要感谢公司对我的容忍,一个这么简单的东东允许我搞了这么久。

    其实,在前面的过程中,一直有写点什么的冲动,但是当时困难重重、前途未卜,也没了这个心情。现在可以坐下来仔细总结下前面的问题,有现在都没搞明白的,特向大家请教了;有解决掉的,那就说说经验教训,给其他人一些参考。首先声明本人脑瓜笨,逻辑思维差,点一个灯点了一个多月,最后还发现没点对。所以提到的问题可能很幼稚,说话也好像前言不搭后语,有兴趣看的那就受累了哈。

    先说说我们的这个块板子,裸奔的at91sam9260,外扩Norflash、SRAM,实现程序既可以跑在Norflash中,也可以拷贝到Sram中跑。任务就一个:控制一个片外AD,读出数据然后通过串口发出。很简单的吧,这我都搞了几个月呢,你说菜不菜吧。以下我将回想整个的ARM学习过程,涉及到的知识都是很简单的基础知识,老鸟就不用看了,希望可以帮助到像我一样的菜鸟。

    前三个月主要是熟悉的过程,当时完全没有想到后面程序的调试会如此的困难,想当然地认为又不上系统,无非是32位的单片机嘛。板子做回来一大段时间内,元器件都没有凑齐,当时傻了呀,应该先熟悉熟悉编程环境,每天就为几个破元件折腾,什么都没干。

    后来板子焊接好了,才发现只会用H-JTAG识别芯片,其他的什么都不懂。然后开始看例程,只玩过51的我,初次接触32位的单片机,当时看到AT91C_BASE_PMC->PMC_PCER=(0x1<<3)这样的语句,竟然不知道是什么意思,一是困惑->代表个啥?二是为啥写成0x1<<3的样子?后来不知过了多久才明白,AT91C_BASE_PMC是个基地址,PMC_PCER是相对这个基地址的偏移,移位赋值是为了给32位寄存器赋值的方便。

先说说开发ARM要用到的软件以及工具吧,这段时间我接连使用了IAR、KEIL、h-jtag、JLink,都会用但是都不精通。最后是在KEIL+Jlink下完成的。

开发工具的选择:
1、编译环境:IAR、KEIL、GCC、……

    开始我想也没想就选择了IAR,原因很简单:ATMEL的例程很都是基于IAR的,而KEIL安装目录下的例程很少。匆忙安装了IAR当时的最新版IAR5.20,完全没有考虑可用的资源和交流的方便。然后才发现IAR5.X跟4.X有很大的不同,主要就是其中的链接器从XLINK换成了ILINK,所以配置文件也由XCL文件换成了ICF文件,初看后者好像比前者更简单更易懂了,但是由于是新版,使用的人还不多,网上上的参考资料大部分还是基于4.X的,对于新手哪几条语句还是很费解。

    不过一根筋的我还是硬着头皮坚持使用IAR5.20,直到遇到IAR的杀招:系统从慢时钟想快时钟切换时就跑飞了,都是死在lowlevelinit()中的这一句上:AT91C_BASE_PMC->PMC_MCKR |= AT91C_PMC_CSS_PLLA_CLK;然后将这一句放在主程序中,照死不误。使用过程中,总弹出一个警告,大致意思就是说:IAR安装目录下,bin文件夹下的armlibsupport.dll may be missing or corrupt.重新装后还是老样子。在LED闪烁程序上折腾一个多月未果后,才痛下决心转向KEIL。

   用上KEIL才发现这玩意不是传说中的弱智,相反特别适合我等菜鸟,感觉主要有三个方面特别好:启动代码的图形化配置;在Flash跑不需要什么配置文件,直接在option中添两个地址值就可以了;只需点击鼠标就可以实现将代码从Flash自动拷贝到RAM中执行,不需要再写什么代码拷贝程序了。
GCC,没用过,不懂。
2、调试工具:JLINK、H-JTAG、ULINK、……
    开始使用h-jtag,配合Wiggler使用,小巧且便宜,不得不佩服Twentyone前辈,在RAM中调试很方便,也可以通过H-Flasher将程序下载到Flash跑,使用h-flasher时要一个初始化文件,主要是初始化Flash相关寄存器。
    后来看到DB的JLINK都白菜价了,就从淘宝买了一个JLINK,主要是不用再用并口了,现在百元以内的JLINK大把,用JLINK是个不错的选择,但是调试片外的flash好像还不能无限断点。
ULINK,不太清楚,好像只支持KEIL,不过没用过。

这次主要说说第一次搞ARM特别是从51直接跳到ARM的必须面对的几个概念:REMAP、Bootloader、Flashloader。

1、REMAP:
    提到REMAP。首先应想到什么是MAP,英语不好,开始就断章取义,MAP就是地图嘛,Memory Map就是存储器地图,不过这个地图的参考坐标不是经纬度,而是地址,进而叫做存储器映射。由于要适应不同存储器容量要求的用途,ARM处理器本身的RAM、ROM并不是足够大,所以很多时候要外扩一些存储器,Norflash、NANDFlash、SDRAM、SRAM……而对于ARM来说怎么识别这些不同的存储器呢,只能给每个分配一个独立的地址,就相当于每个人有不同的名字。片内存储器的地址一般出厂就固化好的,片外的话就根据每个存储器所连接的外部总线片选而具有不同的地址。

    所以REMAP,顾名思义就是存储器的重新映射,即某些存储器的地址又发生了变化。我就很不理解了,这地址本来就不好记,还变来变去的,麻不麻烦呀,学51的时候咋就没这玩意呢?后来查了些资料,有些明白了,51是8位机,更重要的是51的主频不高,8位的ROM或Flash足够匹配51的主频,不用插入等待指令,所以程序直接在ROM或Flash中跑影响不到系统的速度。而ARM就不同了,ARM是32位机,但是Flash一般是8位或16位,32位的也有吧,好像价格很高。而且ARM的制品很高,动辄上百M,所以Flash的工艺达不到这个速度。如果程序跑在Flash中就要插入过多的等待指令,所以会影响ARM的性能。而RAM一般存取速度比较快,很容易构成32位,可以与高速的ARM匹配。更重要的是ARM上电后必须从0x0地址处取得指令,因此上电后必须将ROM或Flash映射位0X0地址处,当时还产生了一个弱智的想法,既然RAM这么好,为啥还要ROM或Flash,直接将程序下载到RAM中不就得了,后来才猛地想到RAM是易失型存储器,掉电后啥也没了,再上电后0X0处啥都没有。而且还有一条,ARM的中断向量表,既存放各个中断入口地址的地方,一般放在0x0处,即ROM或Flash中,为了加快中断响应速度,也应该将0X0映射到RAM中去。因此,ARM一般从ROM或Flash启动完成初始化,然后将应用程序拷贝到RAM,然后跳到RAM执行。

    刚才说的是,为啥要REMAP,接下来说怎么REMAP。开始的时候我就不清楚,都说REMAP,那怎么才能完成REMAP呢?都是手册看得少呀,其实上面说的已经很清楚了,我们用的at91sam9260更是简单,有专门的寄存器可以配置,MATRIX_MRCR—Master Remap Control Register,向这个寄存器相应位写1就可以了。网上还看到Samsung的某些ARM可以通过编程相应Bank寄存器改变其起始地址,来实现REMAP。

    下面以我们的at91sam9260的板子为例详细说说我对at91sam9260 REMAP的理解,开始Flash没有任何程序,当然也没有REMAP,此时将BMS接高,然后上电,此时的0X0地址处位于片内的ROM,由于ROM内好像固化了引导程序,所以此时串口会输出“Rom Boot…>”字样。而内部的SRAM0的起始地址还是在0x20 0000处,而片外Norflash起始地址是0x1000 0000处。然后我们利用h-flasher或J-Flash将生成的Bin文件下载到Norflash内,即起始地址为0x1000 0000处。然后将BMS接低,此时Norflash被映射在0X0地址处,即此时Norflash的起始地址为0X0,(你可能要问那ROM的地址现在在哪儿呢?我也不知道,因为Norflash的地址范围是0X0~0X1F FFFF,而ROM的起始地址默认是0X10 0000,恰好在Norflash的范围内,所以此时ROM哪儿去了?)此时上电,因为0X0地址处即Norflash起始地址有八个合法的中断向量,程序会从Norflash启动,接着执行启动代码,初始化SMC、PMC,然后Copy中断向量表到内部SRAM0,然后,将MATRIX_MRCR寄存器相应位置1,实现REMAP,此时,Norflash的起始地址又变回0X1000 0000,而内部的SRAM0的起始地址又变回0x0了,系统如果发生异常,将从地址0X0处即内部SRAM0取中断向量,而内部SRAM的访问速度显然高于外部的Norflash,所以提高程序性能。这是我对at91sam9260 REMAP的理解,欢迎讨论指教。

2、Bootloader:

    说实话,这个概念到现在也不是很明白。可能对于裸奔的系统来说,Bootloader这个概念本身就比较模糊吧,望文生义的话,Boot,靴子,Load,穿上靴子走路才比较舒服(这个比喻好像比较烂喔),对于ARM来说,初始化好,并将向量表以及数据什么的拷贝到RAM,运行起来才顺畅。就是传说中的引导装载。所以我理解的Bootloader就是完成ARM的初始化、建立中断向量表并映射到RAM中、将数据段和必要的代码段拷贝到RAM、完成REMAP、跳转到Main,这一系列过程。说白了就是启动代码干的活。这个理解我自己都感觉很牵强,还请大家多多指点。

3、Flashloader:
    这个概念更是模糊,总感觉跟Bootloader差不多,只不过Flashloader可以实现对Flash的读写、擦除等操作,并与调试软件配合实现将程序下载到Flash中。IAR中有一个选项:Use Flashloader,不过好像一般都是针对片内Flash的,我们的板子是外扩的Norflash,好像就没有用到这个东东。

接下来准备说说基于KEIL MDK下的启动代码的理解。

当Norflash被映射在0X0地址处时,此时Norflash的起始地址为0X0,那ROM的地址现在在哪儿呢?因为Norflash的地址范围是0X0~0X1F FFFF,而ROM的起始地址默认是0X10 0000,恰好在Norflash的范围内,所以此时ROM哪儿去了?

AT91SAM9260 Memory Mapping

AT91SAM9260 Memory Mapping


该死的启动代码

提起启动代码,我就嗷嗷郁闷,IAR下的程序都死在了这里,Keil中出现的问题很多都是通过对启动代码的修修补补才解决的,一句话:成也启动代码,败也启动代码。

启动代码应该是刚接触ARM的新手必须面对而又很头痛的问题吧,刚开始我也很纳闷,为什么搞个这玩意,学51的时候咋就没见过呢。而且还都是汇编写的,俺的汇编还停留在“MOV”阶段,其他的不是很懂,没办法,谁让汇编的效率高呢。提到启动代码还不得不老生常谈一下其中要完成的任务:

1、建立异常中断向量表,ARM从0X0开始给每个异常中断分配4个字节的空间,一般存放一个跳转指令(B)或PC的装载指令(LDR PC,X_Vector),当发生异常时,ARM从此处取得相应异常中断处理程序入口地址,再跳转执行;
2、ARM都是高速处理器,而在高速下启动很可能会不稳定,所以在启动代码从慢时钟开始运行,在适当的位置,从32.768K切换到高速运行;
3、ARM一般带有片外存储器,Flash、SDRAM等,这些存储器都需要初始化才能使用,这都是在启动代码中完成,但是Norflash的初始化要在时钟初始化之前;
4、ARM有不同的模式,每种模式都需要相应的堆栈;
5、Copy异常中断向量表到RAM,并实现REMAP,具体请参照上一节;
6、Copy可执行映像的数据段到RAM,并将ZI区清零。这个一般都是由编译器完成的,IAR下是?main来实现,Keil中由__main实现。
现在启动代码可以看懂一些,不过自己写启动代码还是很遥远的事情。如果开始对启动代码很抵触,可以考虑使用Keil,因为Keil由启动代码的图形化配置,直接点击鼠标操作就可以实现自己的启动代码。下面结合我们at91sam9260的板子,说说Keil中的启动代码。

打开Keil生成的SAM9260.S,点击左下角的“Configuration Wizard”进入图形化配置向导,根据你的需要选择参数,全部选择完毕后,再点击“Text Editor”,将会看到生成的启动代码。
我靠,不是吧,将近2000行,开始你可能会很泄气,但仔细一看,前面不都是些宏定义嘛,跟图形化配置向导一一对应的,只有从1200多行的这一句开始的才是真正的启动代码部分。

                PRESERVE8
开始是8个PC装载指令,注意第六个向量,即地址0X14处,存放可执行映像的大小,||Image$$ER_ROM1$$RO$$Length||+||Image$$RW_RAM1$$RW$$Length||

接下来是SMC、PMC的初始化,我们的板子外扩了Norflash,如果在未初始化Norflash前,切换到快时钟,系统起不来,所以应该先初始化SMC,再初始化PMC,而Keil自带的启动代码中默认PMC在前,怎么办,可以将前面PMC的宏定义部分和初始化部分剪切,然后分别粘贴在SMC宏定义部分和初始化部分的后面,然后再看“Configuration Wizard”中,PMC自动放到了SMC的后面了。
接下来是关闭看门狗(默认是打开的),拷贝异常中断表到RAM中,然后REMAP,建立缓存,建立各个模式的堆栈指针。
最后进入__main进行数据段和代码段的拷贝以及初始化C语言库函数,然后跳转到main执行。

Keil中有详细的注释,理解起来应该不是很难,具体的语句无需明白,知道个大致意思就行了。无非是将某个外设的基地址装载(LDR)到一个寄存器R0,将要向这个外设的某个寄存器赋的值装载到另一个寄存器R1,然后加载(STR)。一般的模式就是这样:
LDR   R0,=Periphral_BASE     ;某外设的基地址
LDR   R1,=0XFFFF0000         ;向寄存器要赋的值
STR   R1,[R0,#Periphral_Register_OFS] ;向外设Peripheral基地址偏移OFS的寄存器Register赋值0xFFFF0000

Keil的启动代码部分有两个注意的地方:
1、启动代码中有很多IF语句,如:IF      :DEF:RAM_INTVEC。这就可以通过在Options/Asm对话框中的Define中填入RAM_INTVEC就可以实现中断向量从Flash到RAM的拷贝。同理,还有IF      :DEF:REMAP等等;
2、带有Keil特色的MICROLIB,通过在Options/Target中选择“Used MICROLIB”,比不使用微库相比生成的代码较小。不过除此之外,应该还有其他的关系,因为我们的程序如果选择不使用微库的话,就执行不成功。对于微库只有这些很片面的理解,还请老手指教。

总而言之,Keil中的启动代码还是比较好理解的,而且借助图形化配置向导,可以更快的上手,以实现自己的启动代码。
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