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ARM學(xué)習(xí)筆記之——MiniOS

作者： 時(shí)間：2016-11-20 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏

1. 概述

最近，我花了大量的時(shí)間學(xué)習(xí)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(gè)用于總結(jié)前面所學(xué)內(nèi)容的操作系統(tǒng)MiniOS，并附帶了其中的源代碼。我認(rèn)真學(xué)習(xí)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://2s4d.com/article/201611/318808.htm

讀這個(gè)MiniOS源代碼我遇到了最大的幾個(gè)問題如下：

（1）系統(tǒng)是怎么啟動(dòng)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(yùn)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(yùn)行起來的？

上述這幾個(gè)問題都是很細(xì)微，但又很難搞清楚的核心知識(shí)。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(jī)制、LED、UART、按鍵怎么實(shí)現(xiàn)，不做過多研究。

2. 詳細(xì)內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)是怎么啟動(dòng)的？

首先說明，書上提供的MiniOS工程編譯后的運(yùn)行地址為0x33FF0000，不是 0x00000000，這點(diǎn)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(biāo)號(hào)上繼續(xù)執(zhí)行。代碼如下：
  1. AREAStart,CODE,READONLY
  2. ENTRY;代碼段開始
  3. bReset
  4. ……
  5. Reset;Reset異常處理符號(hào)
  6. blclock_init;跳往時(shí)鐘初始化處理
  7. blmem_init;跳往內(nèi)存初始化處理
  8. ldrsp,=SVC_STACK;設(shè)置管理模式棧指針，common_asm.h中定義
  9. 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(jìn)行相對(duì)跳轉(zhuǎn)。再跳轉(zhuǎn)也是以PC為起始，相對(duì)位置跳轉(zhuǎn)，不會(huì)受運(yùn)行地址的影響。
初始化了時(shí)鐘、SDRAM、關(guān)閉看門狗、設(shè)置sp。有人可能會(huì)問：為什么在進(jìn)行了bl之后再設(shè)置棧指針？其實(shí)，哪里設(shè)置都無所謂，因?yàn)閎l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(kuò)展，將來還會(huì)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(gè)絕對(duì)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：
  1. copy_code;代碼拷貝開始符號(hào)
  2. 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)
  3. ldrr1,=|Image
    RO
    Base|;R1中存放RO輸出域運(yùn)行地址，
  4. ldrr2,=|Image
    ZI
    Limit|;R2中存放ZI輸出域結(jié)束地址，
  5. subr2,r2,r1;R2=R2-R1，得出待拷貝數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
  6. blCopyCode2Ram;將R0,R1,R2三個(gè)參數(shù)傳遞給CopyCode2Ram函數(shù)執(zhí)行拷貝
  8. ldrr0,=|Image
    ZI
    Base|
  9. ldrr1,=|Image
    ZI
    Limit|
  10. blclear_bss_region
  12. blstack_init;跳往棧初始化代碼處
  14. msrcpsr_c,#0x5f;開啟系統(tǒng)中斷，進(jìn)入系統(tǒng)模式
  15. ldrlr,=halt_loop;設(shè)置返回地址
  16. ldrpc,=xmain;跳往main函數(shù)，進(jìn)入OS啟動(dòng)處理
  17. halt_loop
  18. 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(dá)到了運(yùn)行地址與加載地址的統(tǒng)一。謹(jǐn)記！
xmain()函數(shù)定議在main.c文件中。
  1. intxmain(void)
  2. {
  3. pgtb_init();//建立頁表
  4. mmu_init();//mmu初始化
  5. uart_init();//串口初始化
  6. irq_init();//中斷初始化
  7. Timer0_init();//定時(shí)器0初始化
  8. key_init();//按鍵初始化
  9. led_init();//led燈初始化
  10. }

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。
  1. voidpgtb_init()
  2. {
  3. unsignedlongentry_index,SFR_base;
  5. /*建立到Norflash的2MB的地址空間的映射*/
  6. /*0xA0000000映射到0開始的1MB地址空間*/
  7. *(mmu_tlb_base+(0xA0000000>>20))=0x0|SEC_DESC;
  8. /*0xA0100000映射到0x100000~0x1FFFFF的1MB地址空間*/
  9. *(mmu_tlb_base+(0xA0100000>>20))=0x100000|SEC_DESC;
  11. /*令0x30000000~0x34000000的64MB虛擬地址等于物理地址空間，方便miniOS內(nèi)部進(jìn)程管理*/
  12. for(entry_index=0x30000000;entry_index<0x34000000;entry_index+=0x100000){
  13. *(mmu_tlb_base+(entry_index>>20))=entry_index|SEC_DESC;
  14. }
  16. /*特殊功能寄存器0x48000000~0x60000000地址空間映射到0xC8000000~0xE0000000虛擬地址空間*/
  17. for(entry_index=0x48000000+0x80000000,SFR_base=0x48000000;
  18. SFR_base<0x60000000;entry_index+=0x100000,SFR_base+=0x100000){
  19. *(mmu_tlb_base+(entry_index>>20))=SFR_base|SEC_DESC;
  20. }
  22. /*
  23. *進(jìn)程1-23號(hào)進(jìn)程地址空間，每個(gè)進(jìn)程32MB，miniOS允許進(jìn)程使用32MB虛擬地址空間，但是只分配其1MB的實(shí)際物理空間
  24. *進(jìn)程1：物理地址空間0x30100000-0x301fffff，對(duì)應(yīng)MVA（修正虛擬地址，進(jìn)程PID<<25形成）
  25. *MVA地址空間：0x02000000-0x021fffff
  26. *進(jìn)程2：物理地址空間0x30200000-0x302fffff
  27. *MVA地址空間：0x04000000-0x041fffff
  28. *.........
  29. *進(jìn)程23：物理地址空間0x31700000-0x317fffff
  30. *MVA地址空間：0x2E000000-0x2E1fffff
  31. *對(duì)應(yīng)進(jìn)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
  32. *地址空間做了映射，因此它不能被映射成，24號(hào)進(jìn)程的物理地址空間，跳過該進(jìn)程號(hào)24，同樣道理，
  33. *跳過進(jìn)程號(hào)25
  34. *進(jìn)程24：物理地址空間0x31800000-0x318fffff
  35. *MVA地址空間：0x30000000-0x31ffffff
  36. *進(jìn)程25：物理地址空間0x31900000-0x319fffff
  37. *MVA地址空間：0x32000000-0x33ffffff
  38. */
  39. for(entry_index=1;entry_index<24;entry_index++){
  40. *(mmu_tlb_base+((entry_index*0x02000000)>>20))=(entry_index*0x00100000+SDRAM_BASE)|SEC_DESC;
  41. }
  42. /*
  43. *進(jìn)程26：物理地址空間0x31A00000-0x31Afffff
  44. *MVA地址空間：0x34000000-0x35ffffff
  45. *.........
  46. *進(jìn)程62：物理地址空間0x33E00000-0x33Efffff
  47. *MVA地址空間：0xC4000000-0xC5ffffff
  48. */
  49. for(entry_index=26;entry_index
  50. *(mmu_tlb_base+((entry_index*0x02000000)>>20))=(entry_index*0x00100000+SDRAM_BASE)|SEC_DESC;
  51. }
  53. /*
  54. *異常向量表
  55. *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(dāng)異常產(chǎn)生時(shí)，由硬件自動(dòng)去0xFFFF0000
  56. *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
  57. *空間，同樣，將全部miniOS代碼拷貝到這1MB地址空間來。
  58. */
  59. *(mmu_tlb_base+(0xffff0000>>20))=((VECTORS_PHY_BASE)|SEC_DESC);
  60. }

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(yùn)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(gè)地址并不一定提向的同一個(gè)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？
  1. voidmmu_init()
  2. {
  3. unsignedlongttb=MMU_TABLE_BASE;
  4. /*reg1待清除位*/
  5. intreg0,reg1=(VECTOR|ICACHE|R_S_BIT|ENDIAN|DCACHE|ALIGN|MMU_ON);
  6. /*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，
  7. 使用DCACHE，使用地址對(duì)齊檢查，開啟MMU*/
  8. intCP15_C1_set=(VECTOR|ICACHE|DCACHE|ALIGN|MMU_ON);
  9. __asm{
  10. movreg0,#0
  11. /*使ICaches和DCaches無效*/
  12. mcrp15,0,reg0,c7,c7,0
  13. /*使能寫入緩沖器*/
  14. mcrp15,0,reg0,c7,c10,4
  15. /*使指令，數(shù)據(jù)TLB無效無效*/
  16. mcrp15,0,reg0,c8,c7,0
  17. /*頁表基址寫入C2*/
  18. mcrp15,0,ttb,c2,c0,0
  19. /*將0x2取反變成0xFFFFFFFD，Domain0=0b01為用戶模式，其它域?yàn)?b11管理模式*/
  20. mvnreg0,#0x2
  21. /*寫入域控制信息*/
  22. mcrp15,0,reg0,c3,c0,0
  23. /*取出C1寄存器中值給reg0*/
  24. mrcp15,0,reg0,c1,c0,0
  25. /*先清除不需要的功能，現(xiàn)開啟*/
  26. bicreg0,reg0,reg1
  27. /*設(shè)置相關(guān)位并開啟MMU*/
  28. orrreg0,reg0,CP15_C1_set
  29. mcrp15,0,reg0,c1,c0,0
  30. }
  31. //DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"MmuinitOK");
  32. }
剛開始，我在看上面代碼的時(shí)候，我在想。這個(gè)一開啟MMU之后，這個(gè)函數(shù)還能正常返回嗎？原來MMU在啟時(shí)前保存的返回地址（物理地址），在MMU開啟后這個(gè)地址（虛擬地址）對(duì)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(dāng)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(shí)運(yùn)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(duì)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(hào)從1開始計(jì)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：
  1. intxmain(void)
  2. {
  3. //PC=0x33FF????,SP=0x33FF0000,MMU=關(guān)
  4. pgtb_init();//建立頁表
  5. mmu_init();//mmu初始化
  7. //PC=0x33FF????,SP=0x33FF0000,MMU=開
  9. //對(duì)UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY進(jìn)行初始化
  11. OS_ENTER_CRITICAL();//關(guān)閉中斷，準(zhǔn)備進(jìn)入進(jìn)程初始化函數(shù)
  12. sched_init();//進(jìn)程調(diào)度初始化
  13. OS_EXIT_CRITICAL();//開啟中斷
  15. ENTER_USR_MODE();//進(jìn)入用戶模式
  17. //進(jìn)程0執(zhí)行內(nèi)容
  18. while(1){
  19. DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"kernel:process0");
  20. printk("process0,idle");
  21. wait(1000000);
  22. }
  23. return0;
  24. }
執(zhí)行到 xmain 函數(shù)時(shí)，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] 。
  1. /*初始化0號(hào)進(jìn)程*/
  2. p=&task[0];//p指向0號(hào)進(jìn)程PCB
  3. p->pid=0;//設(shè)置0號(hào)進(jìn)程pid
  4. p->state=TASK_RUNNING;//設(shè)置其運(yùn)行狀態(tài)為就緒態(tài)
  5. p->count=5;//設(shè)置其時(shí)間片為5
  6. p->priority=5;//設(shè)置優(yōu)先級(jí)為5
  7. 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
  8. p->content[1]=SYS_MODE_STACK_BASE;//設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程棧指針
  9. p->content[2]=0;
  10. p->content[16]=0;//設(shè)置PC寄存器的值為0，該進(jìn)程起始地址被MMU映射為0地址
  11. current=&task[0];//當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程為0號(hào)進(jìn)程

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