ARM 基础学习记录 / ARM 裸机编程

汇编程序调用 C 程序详情

在 C 程序和 ARM 汇编程序之间相互调用时必须遵守 ATPCS 规则，其是基于 ARM 指令集和 THUMB 指令集过程调用的规范，规定了调用函数如何传递参数，被调用函数如何获取参数，以何种方式传递函数返回值。

  1. 寄存器 R0~R15 在 ATPCS 规则的使用

    • 在函数中，通过寄存器 R0~R3 来传递参数，被调用的函数在返回前无需恢复寄存器 R0~R3 的内容。

    • 在函数中，通过寄存器 R4~R11 来保存局部变量。

    • 寄存器 R12 用作函数间 scratch 寄存器。

    • 寄存器 R13 用作栈指针，记作 SP ，在函数中寄存器 R13 不能用做其他用途，寄存器 SP 在进入函数时的值和退出函数时的值必须相等。

    • 寄存器 R14 用作链接寄存器，记作 LR ，它用于保存函数的返回地址，如果在函数中保存了返回地址，则 R14 可用作其它的用途。

    • 寄存器 R15 是程序计数器，记作 PC ，它不能用作其他用途。

  2. 汇编程序向 C 程序函数传递参数

    • 当参数小于等于 4 个时，使用寄存器 R0~R3 来进行参数传递。

    • 当参数大于 4 个时，前四个参数按照上面方法传递，剩余参数传送到栈中，入栈的顺序与参数顺序相反，即最后一个参数先入栈。

  3. C 程序函数返回结果给汇编程序

    • 结果为一个 32 位的整数时，通过寄存器 R0 返回。

    • 结果为一个 64 位整数时，通过 R0 和 R1 返回，依此类推。

    • 结果为一个浮点数时，通过浮点运算部件的寄存器 f0，d0 或 s0 返回。

    • 结果为一个复合的浮点数时，通过寄存器 f0-fN 或者 d0~dN 返回。

    • 对于位数更多的结果，通过调用内存来传递。

  4. 当 C 程序从一个函数跳转到另一个函数时，会先把源函数的 CPU 的寄存器和函数内的局部变量都入栈，当跳回时再出栈，这一过程的汇编代码是当 C 程序编译成汇编时被编译器自动添加。

imx6ull 裸机编程相关

这里是处理器启动流程等的介绍，属于科普环节，有个印象，会加深对于处理器如何运行的理解，非必要记住，而是为以后的操作说明每一个步骤都在做什么事情。此部分理解为主。

裸机映像文件合成详情

先说原理，看 imx6ull 芯片手册可知，芯片上电时内部的 boot ROM 固化的程序会通过外部引脚确定启动方式（USB\NAND\EMMC\SD等），将应用的二进制数据（app.bin）从存储区（NAND\EMMC\SD等）搬运到内存区（DDR2\3等），然后跳转到内存区的程序处开始执行程序。这个过程是这个芯片自动完成的，但是需要根据规定合成烧录到存储区的映像文件， 在编译得到应用的二进制文件 app.bin（这个就是比如 裸机应用固件 或 Linux 固件等）之后，再用 mkimage 工具（gcc-arm-linux-gnueabihf-6.2.1 编译器自带的）根据 imximage.cfg.cfgtmp 这个文件的信息，合成头部信息，再与 app.bin 组合生成 .imx 文件， .imx 的头部再添加 1KB 的数据（可以全为0，也可包含分区表等数据） 组合生成 .img 文件，具体如下：

  • .imx 文件 = 头部信息（ IVT + Boot data + DCD） + app.bin -> 用于在烧写工具中烧写到 EMMC 中，烧写工具会自动将其烧写到 1KB 偏移处。

  • .img 文件 = 1k.bin + .imx 文件 = 1k.bin + 头部信息（ IVT + Boot data + DCD） + app.bin -> 用于在烧写工具中烧写到 SD 中，烧写工具会将其烧写到 0 位置处（对与 SD 的烧写，此工具不会自动加 1KB 偏移...）。

头部信息包含了指示 boot ROM 程序要把 app.bin 数据搬运到内存的何处，其大小，以及包含了配置 DDR 的寄存器、引脚等数据等待，具体如下：

  • IVT：Image vector table，含 header（含 tag、length、version，这 3 项，length 表示 IVT 的大小）、entry（指示 app.bin 在内存中的位置，即程序数据被复制到内存哪里）、dcd（指示 DCD 数据 在内存中的位置）、boot_data（指示 Boot data 在内存中的位置）、self（指示 IVT 在内存中的位置）等，共占 32*8bit 大小，entry 为 app.bin 要在内存中的目的地址。

  • Boot data：start（映像文件在内存中的地址，为 IVT 在内存中的绝对地址减去 1024 偏移）、length（整个映像文件的长度，含 1k.bin）、plugin，共占 32*3bit 大小。

  • DCD：配 imx6ull 芯片的寄存器，如 DDR 的配置等，可自定，复杂，mkimage 根据 imximage.cfg.cfgtmp 这个文件的信息合成。

    其中，entry（指示 app.bin 在内存中的位置，即程序数据被复制到内存哪里）的地址在 Makefile 中调用 mkimage 工具时是可以指定的，在"重定位"章节会细说。

具体分布：

  • 头部数据和偏移区使用 mkimage 工具生成，官方都会提供的。

  • 最前面的灰色部分就是偏移数据区，对于EMMC/SD存储区设备是 1KB，对于 NAND 是256B，具体看手册。

最终生成的 .img 文件结构：

imx6ull 上电启动过程分析：

  1. boot Rom 会把 EMMC 或 SD 卡的前 4K 数据（涵盖了头部信息（ IVT + Boot data + DCD）这些等）读入到芯片内部 RAM 运行。

  2. boot Rom 根据 DCD 进行初始化 DDR。

  3. boot Rom 根据 IVT，从 EMMC 或 SD 卡中将 app.bin 读到 DDR 的 0x80100000 地址（IVT 的 entry，如上图所示）。

  4. 跳转到 DDR 的 0x80100000 地址执行，即 CPU 开始从内存 0x80100000 地址开始执行机器码。

    以上步骤执行完之后的 DDR 内存图示：（这是反汇编 应用固件 产生的 机器码-汇编码 相互对应的内容）

重定位、启动和编译

各段数据重排序

每一个汇编成机器码的 .o 文件都会分为这几个数据段：

  • 代码段(.text)：存放代码指令；

  • 只读数据段(.rodata)：存放有初始值并且 const 修饰的全局类变量；

  • 数据段(.data)：存放有初始值的全局类变量（有非零初始值的变量，如 char A = 'A';）；

  • 零初始化段(.bss)：存放没有初始值或初始值为0的全局类变量（如 int g_intA = 0;int g_intB;，这些存放在 .bss 段）；

  • 注释段(.comment)：存放注释。

在 Makefile 文件中，在链接步骤，通过 LD 工具，把各个 .o 文件的各个数据段，按照 imx6ull.lds 定义的顺序安放，即各段数据重排序，最后合成一个二进制文件 app.bin，其中的代码段(.text)、只读数据段(.rodata)和数据段(.data)等都来自于前面各个 .o 文件，每个段 的顺序按照 imx6ull.lds 安放。

链接脚本 imx6ull.lds 解析（一体式链接脚本格式）：

SECTIONS {
    . = 0x80100000;                      //设定链接地址为0x80100000
​
    . = ALIGN(4);                        //将当前地址以4字节为标准对齐
    .text      :                         //创建段，其名称为 .text
    {                                    //.text包含的内容为所有链接文件的数据段
        *(.text)                         // *：表示所有文件
    }
​
    . = ALIGN(4);                        //将当前地址以4字节为标准对齐
    .rodata : { *(.rodata) }             //.rodata存放在.text之后,包含所有链接文件的只读数据段
​
    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }                 //.data存放在.rodata之后，包含所有链接文件的只读数据段
​
    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;                     //将当前地址的值存储为变量__bss_start
    .bss : { *(.bss) *(.COMMON) }        //.bss存放在.data段之后, 包含所有文件的bss段和注释段
    __bss_end = .;                       //将当前地址的值存储为变量__bss_end
}
​

可见 imx6ull.lds 文件给出 .bss 段的头、尾地址标识：__ bss_start 和 __ bss_end。

启动文件程序

以最简单的裸机点灯程序的启动文件 start.S 为例。仅为示例，过于简单，完整示例可看 下面 “ARM异常处理 & 启动文件的示例” 一节。

.text
.global  _start
_start:                 
    /* 设置栈地址 */
    ldr  sp,=0x80200000
    bl main
​
halt:
    b  halt
Makefile 文件解析

以最简单的裸机点灯程序的 makefile 为例。

PREFIX=arm-linux-gnueabihf-
CC=$(PREFIX)gcc
LD=$(PREFIX)ld
AR=$(PREFIX)ar
OBJCOPY=$(PREFIX)objcopy
OBJDUMP=$(PREFIX)objdump
​
led.img : start.S  led.c main.c
    $(CC) -nostdlib -g -c -o start.o start.S                 # 把启动文件 .s 和各个 .c 文件都汇编为机器码文件 .o
    $(CC) -nostdlib -g -c -o led.o led.c    
    $(CC) -nostdlib -g -c -o main.o main.c  
    
    $(LD) -T imx6ull.lds -g start.o led.o main.o -o led.elf  # 链接，按照 imx6ull.lds 定义的格式，各段数据重排序，把各个 .o 文件组成 .elf 文件
    
    $(OBJCOPY) -O binary -S led.elf  led.bin                 # .elf 转为 .bin 二进制文件，应用二进制文件
    $(OBJDUMP) -D -m arm  led.elf  > led.dis    
    mkimage -n ./tools/imximage.cfg.cfgtmp -T imximage -e 0x80100000 -d led.bin led.imx
                                                             # 使用 mkimage 生成 头部数据，并与 .bin 组合，产生 .imx 文件
    dd if=/dev/zero of=1k.bin bs=1024 count=1                # 创建一个 1KB 的空文件 1k.bin
    cat 1k.bin led.imx > led.img                             # 把 1k.bin 放在 .imx 前头，组合成 .img 文件
​
clean:
    rm -f led.dis  led.bin led.elf led.imx led.img *.o
​
清零 bss 段

在 启动文件 汇编程序中，根据 .bss 段的头、尾地址（__ bss_start、__ bss_end）来对此区域清零，让 C 程序中未定义初始值或零初始值的变量在初始化时都为零值，而非随机值。

附程序：

clean_bss:
    ldr r1, =__bss_start    @ 将链接脚本变量__bss_start变量保存于r1
    ldr r2, =__bss_end      @ 将链接脚本变量__bss_end变量保存于r2
    mov r3, #0
clean:
    strb r3, [r1]           @ 将当前地址下的数据清零
    add r1, r1, #1          @ 将r1内存储的地址+1
    cmp r1, r2              @ 相等：清零操作结束；否则继续执行clean函数清零bss段
    bne clean
    
    mov pc, lr

并在进入主函数前调用 bl clean_bss /* 清零bss段 */。

数据段再单独重定位

事出有因，想要把 .data 段的数据放到 片内内存中以加快访问速度，参考芯片手册得到片内RAM的地址为：0x900000 ~ 0x91FFFF，共128KB（当然不会很大，也就裸机下的编一编、学一学行，Linux 系统等的大型工程就不适合了），所以我们将 .data 段重定位后的地址设置为0x900000。

第一步：把链接脚本 imx6ull.lds 中的 .data : { *(.data) }换成下面的：

     data_load_addr = .;                    
     .data 0x900000 : AT(data_load_addr) 
     {
       data_start = . ;                  //addr = 0x900000
       *(.data)
       data_end = . ;                    //addr = 0x900000 + SIZEOF(.data)
     }

第二步：在启动文件中，复制 data 段数据到片内内存 data_start

 copy_data:
      /* 重定位data段 */
      ldr r1, =data_load_addr     /* data段的加载地址, 从链接脚本中得到, 0x8010xxxx */
      ldr r2, =data_start        /* data段重定位地址, 从链接脚本中得到, 0x900000 */
      ldr r3, =data_end          /* data段结束地址, 从链接脚本中得到,0x90xxxx */
 cpy:
      ldr r4, [r1]              /* 从r1读到r4 */
      str r4, [r2]              /* r4存放到r2 */
      add r1, r1, #4           /* r1+1 */
      add r2, r2, #4           /* r2+1 */
      cmp r2, r3               /* r2 r3比较 */
      bne cpy                  /* 如果不等则继续拷贝 */
​
      mov pc, lr               /* 跳转回调用copy_data函数之前的地址 */

并在进入主函数前调用 bl copy_data /* 复制 data 段数据到片内内存 data_start */

100ask imx6ull 的 《IMX6ULL裸机开发完全手册》中的 "第13篇 IMX6ULL裸机开发 - 9.4.3 总结:如何在C函数中使用链接脚本变量" 章节讲了如何在 C 程序中调用链接脚本中的表示地址的变量，从而可以在 C 程序中实现 "清零 bss 段"和"数据段搬运到片内内存"，而不用在启动代码里完成这些操作。

100ask imx6ull 的 《IMX6ULL裸机开发完全手册》中的 "第13篇 IMX6ULL裸机开发 - 9.5 重定位全部代码" 章节讲了将全部应用的二进制数据搬到芯片的内部内存（128KB），并在其内运行，并且使用 C 程序实现 bss 段清零。其步骤是：第一步，修改链接脚本，段顶位置加上 . = 0x900000;，并加上头、尾的地址标识字符；第二步，在 C 程序中利用头、尾的地址标识字符将其间的数据搬运到芯片内部内存地址；第三步，修改启动文件汇编程序，跳转到内部内存的应用数据处执行。

修改应用在内存中的存放地址

IVT 中的 entry（指示 app.bin 在内存中的位置，即程序数据被复制到内存哪里）的地址在 Makefile 中调用 mkimage 工具时是可以指定，需要改相关联的几个地方如下：

假设应用的二进制数据（app.bin）原来是要存放在内存的 0x80100000 位置，现在要改为 app_address 处。

  1. Makefile 文件中修改 -e 选项后的地址 mkimage -n ./tools/imximage.cfg.cfgtmp -T imximage -e 0x80100000 -d relocate.bin relocate.imx。

  2. 链接脚本 imx6ull.lds 中 SECTIONS { . = 0x80100000;... 此处改为 app_address 。

  3. 启动文件 start.S 内，要修改栈地址 sp，ldr sp,=0x80200000 此处根据 app_address 与 0x80100000 的偏移相应修改，对于小的裸机程序，可以至少比 app_address 大 0x00100000。

100ASK IMX6ULL Flashing Tool 工具使用

  • 通过 USB 运行裸机程序（不需要烧写，通过u-boot直接在内存中运行）：

    板子设到 USB 启动，在 100ask_imx6ull_flashing_tool 工具中的“专业版”界面，打开 .imx 文件，直接点运行。

  • 通过 USB 烧写裸机程序：

    板子设到 USB 启动，在 Tool 中的“基础版”界面，若选 EMMC ，则用 .imx 文件，若选 SD ，则用 .img 文件。成功后，断电，切到 EMMC 或 SD 启动模式，再上电。

    或者在 win 上，用 win disk imager 工具，把 .img 文件写到 SD 卡。

  • 基础版界面详情：

按钮作用
烧写整个系统“选择设备”为EMMC时，把emmc.img烧到EMMC上； “选择设备”为SD/TF时，把sdcard.img烧到SD/TF卡上； “选择设备”为NAND时，把rootfs.ubi烧到Nand Flash上； 并且会烧写对应的U-Boot，请看下面的“更新Uboot”按钮说明。
更新内核把zImage上传到根文件系统的/boot目录 (对于Nand，是直接烧到内核分区)
更新设备树把100ask_imx6ull-14x14.dtb上传到根文件系统的/boot目录 (对于Nand，是直接烧到设备树分区)
更新Uboot对于IMX6ULL全功能版： ①“选择设备”为EMMC时，把u-boot-dtb.imx烧写到EMMC ②“选择设备”为SD/TF时，把u-boot-dtb.imx烧写到SD/TF卡 对于IMX6ULL mini nand版： ①“选择设备”为NAND时，把u-boot-dtb_nand.imx烧写到Nand Flash ②“选择设备”为SD/TF时，把u-boot-dtb_nandsd.imx烧写到SD/TF卡
烧写裸机把所选裸机文件，烧写到EMMC、SD/TF卡或Nand Flash
上传文件把所选用户文件，上传到根文件系统的/目录 对于imx6ull mini nand版，无法上传文件(只支持ext4文件系统，而它不是)

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