ARM學習筆記之——MiniOS

作者：時間：2016-11-20 來源：網(wǎng)絡(luò)

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1. 概述

最近，我花了大量的時間學習了楊鑄老師寫的《深入淺出嵌入式底層軟件開發(fā)》，看完了ARM體系結(jié)構(gòu)與編程這一章。在這章節(jié)的最后，作者做了一個用于總結(jié)前面所學內(nèi)容的操作系統(tǒng)MiniOS，并附帶了其中的源代碼。我認真學習了其中的所有代碼，悟到了其中非常巧妙的構(gòu)思。

本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/201611/318808.htm

讀這個MiniOS源代碼我遇到了最大的幾個問題如下：

（1）系統(tǒng)是怎么啟動的？

（2）開啟了MMU后，虛擬地址是怎么映射上物理地址上的？

（3）系統(tǒng)是怎么開啟MMU的，為什么開啟了MMU內(nèi)存地址重映射之后程序還能正常運行？

（4）main( ) 函數(shù)是怎么變成task0的？

（5）任務(wù)之間是怎么切換的？

（6）任務(wù)中怎么被創(chuàng)建，并運行起來的？

上述這幾個問題都是很細微，但又很難搞清楚的核心知識。筆者在此把自己悟到的東西分享出來，供大家參考。

其它，如：系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用、任務(wù)調(diào)度機制、LED、UART、按鍵怎么實現(xiàn)，不做過多研究。

2. 詳細內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)是怎么啟動的？

首先說明，書上提供的MiniOS工程編譯后的運行地址為0x33FF0000，不是 0x00000000，這點很重要。

-info totals -ro-base 0x33ff0000 -first start.o

而程序編譯完成后，生成了bin文件將被燒錄到NorFlash的0x00000000地址上，也就很重要！

ARM復(fù)位后，PC從NorFlash的0x00000000地址上取提，也就是”b Reset“，之后跳到Reset標號上繼續(xù)執(zhí)行。代碼如下：

AREAStart,CODE,READONLY
ENTRY;代碼段開始
bReset
……
Reset;Reset異常處理符號
blclock_init;跳往時鐘初始化處理
blmem_init;跳往內(nèi)存初始化處理
ldrsp,=SVC_STACK;設(shè)置管理模式棧指針，common_asm.h中定義
bldisable_watch_dog;關(guān)閉看門狗

之后所有的跳轉(zhuǎn)都是用到b或bl，進行相對跳轉(zhuǎn)。再跳轉(zhuǎn)也是以PC為起始，相對位置跳轉(zhuǎn)，不會受運行地址的影響。

初始化了時鐘、SDRAM、關(guān)閉看門狗、設(shè)置sp。有人可能會問：為什么在進行了bl之后再設(shè)置棧指針？其實，哪里設(shè)置都無所謂，因為bl指令返回地址只保存在LR寄存器中，不放在棧里。SP被設(shè)置成了0x33FF0000，向下擴展，將來還會提及。

然后初始化SDRAM（如果不初始化，SDRAM是不能使用的），將程序自己從0x00000000地址復(fù)制一份到0x33FF0000地址上。然后再來一個絕對地址跳轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到0x33FF0000地址域上的xmain地址處繼續(xù)執(zhí)行。如下：

copy_code;代碼拷貝開始符號
movr0,#0x0;R0中為數(shù)據(jù)開始地址(ROM數(shù)據(jù)保存在0地址開始處)
ldrr1,=|Image
RO
Base|;R1中存放RO輸出域運行地址，
ldrr2,=|Image
ZI
Limit|;R2中存放ZI輸出域結(jié)束地址，
subr2,r2,r1;R2=R2-R1，得出待拷貝數(shù)據(jù)長度
blCopyCode2Ram;將R0,R1,R2三個參數(shù)傳遞給CopyCode2Ram函數(shù)執(zhí)行拷貝
ldrr0,=|Image
ZI
Base|
ldrr1,=|Image
ZI
Limit|
blclear_bss_region
blstack_init;跳往棧初始化代碼處
msrcpsr_c,#0x5f;開啟系統(tǒng)中斷，進入系統(tǒng)模式
ldrlr,=halt_loop;設(shè)置返回地址
ldrpc,=xmain;跳往main函數(shù)，進入OS啟動處理
halt_loop
bhalt_loop;死循環(huán)

在執(zhí)行了”ldr pc, =xmain“這條指令之后，PC就指向了SDRAM的0x33FF0000地址區(qū)域上了，不再是NorFlash上了，從此達到了運行地址與加載地址的統(tǒng)一。謹記！

xmain()函數(shù)定議在main.c文件中。

intxmain(void)
{
pgtb_init();//建立頁表
mmu_init();//mmu初始化
uart_init();//串口初始化
irq_init();//中斷初始化
Timer0_init();//定時器0初始化
key_init();//按鍵初始化
led_init();//led燈初始化
}

2.2 開啟了MMU后，虛擬地址是怎么映射上物理地址上的？

在xmain函數(shù)中，pgtb_init() 函數(shù)的功能就是構(gòu)建頁表，TTB=0x300F0000。

voidpgtb_init()
{
unsignedlongentry_index,SFR_base;
/*建立到Norflash的2MB的地址空間的映射*/
/*0xA0000000映射到0開始的1MB地址空間*/
*(mmu_tlb_base+(0xA0000000>>20))=0x0|SEC_DESC;
/*0xA0100000映射到0x100000~0x1FFFFF的1MB地址空間*/
*(mmu_tlb_base+(0xA0100000>>20))=0x100000|SEC_DESC;
/*令0x30000000~0x34000000的64MB虛擬地址等于物理地址空間，方便miniOS內(nèi)部進程管理*/
for(entry_index=0x30000000;entry_index<0x34000000;entry_index+=0x100000){
*(mmu_tlb_base+(entry_index>>20))=entry_index|SEC_DESC;
}
/*特殊功能寄存器0x48000000~0x60000000地址空間映射到0xC8000000~0xE0000000虛擬地址空間*/
for(entry_index=0x48000000+0x80000000,SFR_base=0x48000000;
SFR_base<0x60000000;entry_index+=0x100000,SFR_base+=0x100000){
*(mmu_tlb_base+(entry_index>>20))=SFR_base|SEC_DESC;
}
/*
*進程1-23號進程地址空間，每個進程32MB，miniOS允許進程使用32MB虛擬地址空間，但是只分配其1MB的實際物理空間
*進程1：物理地址空間0x30100000-0x301fffff，對應(yīng)MVA（修正虛擬地址，進程PID<<25形成）
*MVA地址空間：0x02000000-0x021fffff
*進程2：物理地址空間0x30200000-0x302fffff
*MVA地址空間：0x04000000-0x041fffff
*.........
*進程23：物理地址空間0x31700000-0x317fffff
*MVA地址空間：0x2E000000-0x2E1fffff
*對應(yīng)進程24由于MVA地址空間是0x30000000是物理內(nèi)存起始空間，該空間用來放置頁表，并且前面已經(jīng)用該
*地址空間做了映射，因此它不能被映射成，24號進程的物理地址空間，跳過該進程號24，同樣道理，
*跳過進程號25
*進程24：物理地址空間0x31800000-0x318fffff
*MVA地址空間：0x30000000-0x31ffffff
*進程25：物理地址空間0x31900000-0x319fffff
*MVA地址空間：0x32000000-0x33ffffff
*/
for(entry_index=1;entry_index<24;entry_index++){
*(mmu_tlb_base+((entry_index*0x02000000)>>20))=(entry_index*0x00100000+SDRAM_BASE)|SEC_DESC;
}
/*
*進程26：物理地址空間0x31A00000-0x31Afffff
*MVA地址空間：0x34000000-0x35ffffff
*.........
*進程62：物理地址空間0x33E00000-0x33Efffff
*MVA地址空間：0xC4000000-0xC5ffffff
*/
for(entry_index=26;entry_index
*(mmu_tlb_base+((entry_index*0x02000000)>>20))=(entry_index*0x00100000+SDRAM_BASE)|SEC_DESC;
}
/*
*異常向量表
*0xFFFF0000為高地址異常向量表，可以通常設(shè)置CP15，C1寄存器V位，當異常產(chǎn)生時，由硬件自動去0xFFFF0000
*地址處執(zhí)行異常跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，而不是之前的0地址處異常向量表跳轉(zhuǎn)，我們將該虛擬地址映射到0x33F00000這1MB地址
*空間，同樣，將全部miniOS代碼拷貝到這1MB地址空間來。
*/
*(mmu_tlb_base+(0xffff0000>>20))=((VECTORS_PHY_BASE)|SEC_DESC);
}

完成之后，虛擬地址映射如下：

訪問0x33FF0000~0x33FFFFFF 與 0xFFF00000~0xFFFFFFFF地址是同一塊物理內(nèi)存空間。

0xA0000000~0xA01FFFFF地址指向0x00000000~0x001FFFFF，NorFlash物理空間。

2.3系統(tǒng)是怎么開啟MMU的，為什么開啟了MMU內(nèi)存地址重映射之后程序還能正常運行？

在開啟MMU之前，數(shù)據(jù)訪問是直接訪問物理地址。但是開啟了MMU后，所有的地址訪問都需要通過一次虛擬地址轉(zhuǎn)換。同樣一個地址并不一定提向的同一個數(shù)據(jù)內(nèi)間。

那在mmu_init()函數(shù)開啟MMU之后出現(xiàn)什么樣的反應(yīng)呢？

voidmmu_init()
{
unsignedlongttb=MMU_TABLE_BASE;
/*reg1待清除位*/
intreg0,reg1=(VECTOR|ICACHE|R_S_BIT|ENDIAN|DCACHE|ALIGN|MMU_ON);
/*CP15,C1設(shè)置位：異常向量表設(shè)置在高地址，使用ICACHE，系統(tǒng)采用小端模式，
使用DCACHE，使用地址對齊檢查，開啟MMU*/
intCP15_C1_set=(VECTOR|ICACHE|DCACHE|ALIGN|MMU_ON);
__asm{
movreg0,#0
/*使ICaches和DCaches無效*/
mcrp15,0,reg0,c7,c7,0
/*使能寫入緩沖器*/
mcrp15,0,reg0,c7,c10,4
/*使指令，數(shù)據(jù)TLB無效無效*/
mcrp15,0,reg0,c8,c7,0
/*頁表基址寫入C2*/
mcrp15,0,ttb,c2,c0,0
/*將0x2取反變成0xFFFFFFFD，Domain0=0b01為用戶模式，其它域為0b11管理模式*/
mvnreg0,#0x2
/*寫入域控制信息*/
mcrp15,0,reg0,c3,c0,0
/*取出C1寄存器中值給reg0*/
mrcp15,0,reg0,c1,c0,0
/*先清除不需要的功能，現(xiàn)開啟*/
bicreg0,reg0,reg1
/*設(shè)置相關(guān)位并開啟MMU*/
orrreg0,reg0,CP15_C1_set
mcrp15,0,reg0,c1,c0,0
}
//DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"MmuinitOK");
}

剛開始，我在看上面代碼的時候，我在想。這個一開啟MMU之后，這個函數(shù)還能正常返回嗎？原來MMU在啟時前保存的返回地址（物理地址），在MMU開啟后這個地址（虛擬地址）對應(yīng)的還是原來的物理地址嗎？除非一種情況：虛擬地址與物理地址一致。

上述代碼為初始化MMU的函數(shù)，當在執(zhí)行完”mcr p15, 0, reg0, c1, c0, 0“ 指令之后，MMU被開啟了。所有的地址訪問都要經(jīng)過MMU轉(zhuǎn)換成物理地址才能訪問。而mmu_init()此時運行在SDRAM中0x33FF0000地址域上。由2.2節(jié)圖中所示，0x30000000~0x33FFFFFF地址空間上的虛擬地址與物理地址是對應(yīng)的。也就是說，虛擬地址==物理地址。

所以，程序能夠正常執(zhí)行。

2.4main( ) 函數(shù)是怎么變成task0的？

OSCreateProcess（）函數(shù)所創(chuàng)建任務(wù)的ID號從1開始計數(shù)。至于任務(wù)0，就是xmain（）函數(shù)自己。

xmain()自己怎么跑到task0的位置上去坐著的呢？看main.c代碼：

intxmain(void)
{
//PC=0x33FF????,SP=0x33FF0000,MMU=關(guān)
pgtb_init();//建立頁表
mmu_init();//mmu初始化
//PC=0x33FF????,SP=0x33FF0000,MMU=開
//對UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY進行初始化
OS_ENTER_CRITICAL();//關(guān)閉中斷，準備進入進程初始化函數(shù)
sched_init();//進程調(diào)度初始化
OS_EXIT_CRITICAL();//開啟中斷
ENTER_USR_MODE();//進入用戶模式
//進程0執(zhí)行內(nèi)容
while(1){
DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"kernel:process0");
printk("process0,idle");
wait(1000000);
}
return0;
}

執(zhí)行到 xmain 函數(shù)時，PC地址是在 SDRAM 的 0x33FF???? 上的，而且SP棧指針在 start.s 中已指定向了 0x33FF0000。

在執(zhí)行完 mmu_init 函數(shù)之后，所有的數(shù)據(jù)訪問均是通過虛擬地址訪問的。包括接下來的UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY的初始化，通是訪問的虛擬地址。詳見uart_init 函數(shù)中，讀寫的寄存器地址。

sched_init() 函數(shù)的功能是初始化所有的PCB。在最后，初始化PCB[0]。把 current=&task[0] 。

/*初始化0號進程*/
p=&task[0];//p指向0號進程PCB
p->pid=0;//設(shè)置0號進程pid
p->state=TASK_RUNNING;//設(shè)置其運行狀態(tài)為就緒態(tài)
p->count=5;//設(shè)置其時間片為5
p->priority=5;//設(shè)置優(yōu)先級為5
p->content[0]=0x5f;//保存狀態(tài)寄存器cpsr值，表示為系統(tǒng)模式，開啟中斷
p->content[1]=SYS_MODE_STACK_BASE;//設(shè)置當前進程棧指針
p->content[2]=0;
p->content[16]=0;//設(shè)置PC寄存器的值為0，該進程起始地址被MMU映射為0地址
current=&task[0];//當前運行進程為0號進程

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