linux学习之路_or1200第一个裸机程序（上）

mutougeda

经过前面千辛万苦、爬山涉水、纠结了好久才弄好的环境，现在我们终于可以把FPGA当成个单片机使了，稍微比单片机猛一点，但是绝对比单片机贵一个数量级，FPGA现在能完成由CPU做的事，我们就把它当成一个大价钱买回来的单片机，不过相比于S3C24XX的片子来说，那么贵的一个FPGA板卡跑40M的一个CPU绝对的奢侈，不过仅限于理解和学习嵌入式的过程，管他的。
        但是如果是这样呢，把or1200资源优化好，例化两个或者多个CPU，是不是可以做成SMP架构？又或者说现有的产品上有FPGA芯片，但是里面的资源还足以容得下一个or1200，是不是可以做个协处理器在里面？我想应该可以做的事情还很多的······吧。
0 c* Y  @* C2 h, r
3 H/ U5 N* T7 L  d( ]        按照惯例，硬件代码第一个无非是点亮LED灯；软件代码无非是写个hello world，有同感木有。
0 v4 i, M2 \8 r8 d
  u; w) E3 q& ]! I3 E) ?$ b! R+ d        但是想想，我们现在的SOC只有什么？CPU、RAM、Debug、UART、BUS，我们没有把GPIO外设加进去，点个灯貌似行不通了，但是能操作的毕竟外设蛮多的，但是又想看到有现象输出的，那我们只好选择去写个UART的代码咯。

        我们在后面完善or1200_basic_soc时把其他外设添加进去后，上了linux系统后，在编写GPIO字符驱动时再去把灯点亮吧，现在我们就当FPGA是个单片机去编写所谓的“裸机”程序。

) W, F  M: G7 c        我们现在手头上有两本书对吧，《开源软核处理器OPENRISC的SOPC设计》、《CPU源代码分析与芯片设计及Linux移植》，那我们就先看看接下来要写的UART16550外设的说明文档先咯，uart16550_latest.tar.gz源码包里的doc文件夹有该ipcore的说明文档，其实这就是相当于看芯片手册一样了，是不是很熟悉，那就不继续吐槽了，或者《开源软核处理器OPENRISC的SOPC设计》里面第7章也有UART16550的中文翻译版本，感觉这本书就是opencores上面大堆文档的翻译大杂烩，算了，自己写不出的书还是不吐槽人家的了。

# z  J1 y2 i1 }* n- o& x        大概浏览一下UART16550的结构后我们就来咯，敲代码。

        在敲代码之前先搞清楚一些流程，当内嵌在FPGA的or1200上电复位时，它在做些什么，在硬件环境搭建时，我们把CPU的复位地址设置为0x100，这个地址可以在or1200_defines.v中任意指定的，什么是0x100呢，我们在CPU体系手册《openrisc-arch-1.0-rev0.pdf》中16章操作系统接口有所描述，0x100是复位后取指令的第一个地址，虽然是这样说，但是复位地址可以是任意指定的，以后我们固化代码在Flash时，会将这个复位地址设置为Flash的起始地址，目前我们先指定在0x100，所以，CPU复位时就会从0x100取出第一条执行的指令，OK。
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        对于其他向量地址来说，是CPU设计时规定好的异常向量地址，好比0x100是复位异常向量，我们在写C51时熟悉的对比一下看还有什么？0x500是否熟悉？只是时钟中断异常向量。还有什么咧？0x800，外中断异常向量，所以，当我们在CPU将计数器中断enable后，当时钟计满中断时，就会跳转到0x500执行指令。对于外中断而言，前面我们在修改or1200_defines.v把PIC的中断个数设置为20个，所以，当这20个外中断enable后，中断源触发后，CPU就跳转到0x800地址来执行指令啦，至于其他的异常向量都是类似的，可能以前我们接触得比较少，但在对于上了操作系统后，这每个异常向量都会有对应的处理过程。现在对于or1200_basic_soc来说，只使用了复位、时钟、中断异常向量。

1 }6 B7 l; `2 V- F# ^1 x        所以我们敲代码的第一步就是编写这些异常向量的处理程序，即异常向量表，因为刚上电时处理器的C环境还没有建立好，所以这些代码都是要用汇编去写的，我们现在至少要用到reset复位异常向量，硬着头皮码吧。
( `* S1 i1 s8 z/ r9 w$ o
5 G. j' w) b+ m4 d        我理解的reset复位异常向量是通常说的启动代码，在用Keil MDK创建S3C2440的工程时也有对应的启动代码文件s3c2440.S，看起来蛮多的，1k多行，但是往下看，800多行的宏定义，那启动代码就200多行了。再来吐槽下or1200在linux系统下的关于启动代码的文件entry.S、head.S，这两个文件加起来2k5多行，那我们手动去敲那么多代码么，开玩笑吧。

! R4 I0 o1 i5 P) d2 n        好在我们现在用到的外设不多，就一个UART，而且我们现在还不需要用到时钟计数，还没需要到中断，所以复位向量用到的代码大概只有50行，50的汇编对于我这种级别        来说简直小菜一碟，好，码字。
# l3 M( J8 v5 F8 ]0 [& r
        至于这个简单的UART代码我都打包好在附件中了，那我们简单分析一下这50多行reset向量需要的代码。
- b  M! A& T/ F' y# p5 _+ [
        把工程都扔进sourceinsight，方便查看嘛，打开reset.S，对于前面的宏定义先跳过，用到的时候再说吧。
% o) c8 m5 e) @$ Q# {; X4 D% {
  K! g  ^4 f: k9 ]
        先看0x100的异常向量，3行代码，是不是很有成就感。

& @3 U3 J( {2 E9 ]$ T# ^. o

# ?4 @/ Z: G: D- U
        LOAD_SYMBOL_2_GPR看名字就知道意思，作用是将标号的地址存入CPU的寄存器。




        18行l.movhi是or1200处理器的逻辑指令，作用是把立即数零拓展左移16bit
; S1 ~1 ~0 Y, l" S  _! h+ g+ I
, @2 A4 N- Z- d5 S+ ul.movhi rD,K
5 t1 `3 g/ A' r, S6 n
; M+ _; O# \; T2 c$ e% T9 w9 prD[31:0] < -extz(Immediate) < < 16
4 Y0 Q. z5 p2 e- d
: q% _) K, [4 `1 s# f        所以18行将symbol的高16位存入gpr中。
; w8 }. z! [5 m% S: `5 v% j; P
, B4 p( X0 C7 w& g; [+ z% a        l.or是or1200处理器的逻辑指令按位或，作用不用讲了吧，

8 |. R0 g" g3 E1 ?l.or rD,rA,rB

rD[31:0] < -rA[31:0] OR rB[31:0]

        所以19行将symbol的低16位存入gpr中。
. J! t9 l/ ?9 V+ A1 V7 D. v
0 O5 }7 V( ]7 t7 C        继续reset向量，l.jr r3，即跳转到r3寄存器的地址上，所以reset向量前3行就是跳转到_reset标号地址上。
$ ?7 l0 i8 d: c; S* e
        貌似55行还有个l.nop指令，只是or1200的空操作指令。跳转指令之后紧接着的指令称为延时槽，在or1200体系中，在跳转指令之后的紧接着的一条指令是规定、必须、肯定会执行的，所以在现在or1200的gcc编译器中，在跳转指令之后都会自动补上一个nop指令，貌似在新版本的编译器会在跳转指令后执行别的有效指令代替nop操作，提高效率。
. G5 U; K6 J+ I3 C
9 w& j) P; q4 B4 x; `8 O        好，continue······
' w3 P$ R; x8 ~+ T
5 w8 a! [8 Y' Y5 H
! E* T( D. z% y" ^8 m7 c4 B6 N        Sourceinsight中一跳，转到_reset标号上
. @8 r3 g% m+ h% }/ O. M6 g) U+ Q7 l
: g$ F6 S, H. D* R$ Z# u$ A
# r" Y. j# d. j1 i
) \4 X" Z2 i: r, b& E
        l.movhi，l.ori很熟悉啊，目的将r0寄存器清零。
2 M" D" p/ n3 z$ ^0 h
" R( i2 z" U3 G8 ?" |: E        l.addi作用是将r0和SPR_SR_SM相加后存入r3中，至于SPR_SR_SM又是什么？跟踪下就可以发现在spr-defs.h有其定义。
9 ^, S9 r4 l! y9 {0 r

$ ^* w& u3 R0 P1 N
1 A8 E6 K* Q2 _
        这是supervisor模式，这个linux的内核态和用户态概念很像，or1200存在两种模式，supervisor和user，区别是操作CPU内部寄存器组时权限不同。

0 v( X4 z6 |2 t6 w7 ^0 l+ N; c继续，l.mtspr就是操作or1200内特殊寄存器组的专用指令，专用的，将r0和r3的寄存器的值相加后送入SPR_SR寄存器内
1 Z, p# o: l$ |3 N
3 p. k6 W% Q# m
8 q' g! u: i  x: r, ]/ ^
2 Q# N( y! q  x' Y
& G3 l" c  Q$ w/ V        在《openrisc-arch-1.0-rev0.pdf》中可以看到，SPR_SR的first bit就是SM位
& k* `: H( l3 F
        为1时就是Supervisor Mode
% z9 ^2 c1 g+ `' G2 ]
0 J2 @( d6 I. _/ _: ]9 g1 v        继续往下看，有个CLEAR_GPR的宏，目的是将gpr设置成r0的值
4 x; K6 `) H: N6 s0 [2 U9 ]
! J7 g* _) F) E: c" k5 i


+ K2 q5 N( j2 v) N& Z: ~        在or1200中，r0被设置成常数0，做与这个宏的作用就是清零
* P  n; g2 Y, X; k% H+ ]
( d. V6 V2 `0 X3 t% q% b好，继续
# V! `5 T& n* @* X& V- w


5 _5 `6 ]2 A/ p( l9 Z, p) n
4 P/ Q1 Q5 [" |5 a% _/ O$ ]
2 X+ i2 y" ^/ ~+ K7 D0 X1 N) Y        SPR_TTMR是关于or1200内Timer的寄存器，将r0的值赋入SPR_TTMR中，至于SPR_TTMR的解释如下表。
7 ?& A8 n% m1 |- J
: w9 d" M# F6 d6 k
1 ^! r3 q; h, I: W5 N2 q# s
8 D; D- y4 s& \( Z
        目的就是把执行计数单元（简称定时器吧）的中断和使能都禁用了。
4 {7 t3 U+ Z, o3 B
        好，继续······貌似完了，200行吧_stack的值赋给r1，_stack是CPU堆栈的值，_stack这个值在lds文件内定义，这个文件稍后再解释。
3 O2 Y- P. Q( I6 @
+ M* Z5 R+ ?1 J* e( j- p        第203,204行是不是很熟悉，跳转到main函数执行，堆栈建立好之后下面main函数就可以用C来码了。

        Reset向量就需要这些代码了，至于reset.S剩下的代码是关于中断处理的，比如在
6 ^7 h: ?$ G- m; s' B$ W

5 C! @# b& E6 g; [- w. p  I

. {9 ~- @' A/ U2 @' s! j$ K9 g. ?        在定时器中断和外中断会先执行EXCEPTION_HANDLER宏，目的是执行中断处理之前的现场保护，跳转至中断服务函数，执行完中断服务函数之后的现场恢复，中断的概念不用多解释了，应该是很熟悉的了。
0 `) @9 B9 h- _, X( M. R
# f# U$ \2 x% w* F        关于or1200中断的流程可以参考《CPU源代码分析与芯片设计及Linux移植》，里面讲得蛮详细的，虽然大部分也是翻译手册的，至于附件的代码关于reset.S剩余部分不是特别难，就不解释了，不解释咯······
! O& x) I7 W  _+ _2 w; j
8 h8 r, q1 G8 M8 ]        突然发现，reset的异常向量我们就敲完了，在reset向量里会跳转至main函数，那就开始了，main函数熟悉了吧，
9 l3 z0 H$ {. ]$ |& Z& m5 h9 Y
" B- a' n& p( g# |/ I# r        附件中的uart.c和uart.h关于UART16550的串口驱动和头文件，程序不难，对比着uart16550_latest.tar.gz的说明文档、《开源软核处理器OPENRISC的SOPC设计》和源码的注释5分钟就可以看懂了，不详细说了，因为大家都有C语言功底嘛。
; s# n5 i0 P" ^5 X6 `  O
. p. m7 d) G. ]- o         至于附件driver和include的其他文件可以先不管，因为现在还用不上，有兴趣可以自行翻阅下，是关于中断二级向量表的实现和timer的驱动，大部分都是参考u-boot下openrisc架构修修改改过来的，所以最好还是稍微浏览下，然后在下次移植u-boot时能快速上手。
& T8 P! X% h+ k, ~$ Z6 }
4 F5 N# ^7 _* w8 m9 r8 s  a        Main函数更不用多说了，手痒自己随意打的，随便修改吧，至于里面的函数用sourceinsight追一下就可以了，都是比较简单的东西了。

        UART的代码到这里我们就敲完了，最后就是把程序下到我们的SDRAM中运行了，好，在下到SDRAM之前呢，还需要编写一个连接脚本文件，告诉编译器编译出来的可执行程序各个段的存储位置，入口地址，在学校学汇编和计算机原理的时候都应该讲过这些的了，就是编译源码后得到的可执行bin文件的在RAM的存储位置，例如在link.lds文件中
" V0 I1 r% ?) x4 t9 P$ A: E
* s9 B8 l( _) `3 K


        vectors段，即我们之前编写的异常向量表的存放位置，从0x0开始到0x2000，除or1200结构本身定义的异常向量表之外，还保留空的异常向量允许自定义操作。
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        ram段就是开始存放我们uart的程序代码啦，继续看······
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  F5 H! X* D. H4 Y

, x5 F9 s4 N' Q+ e: W        这里定义了一个_min_stack的变量，大小为8K，记得我们在写reset向量时设置CPU堆栈的值吗？



5 r% l+ ]9 Q+ ]# ~
        在这里_stack的值在这里取出，这里我说的不是很明白，关于lds连接文件附件中的ARM79出品-u-boot移植手册.pdf的附录一有详细说明，参考参考很容易就明白啦，或者可以google一下，再或者看看别人的技术博客就行了，这里不再详细解释了，因为码字是在是很累人的一件事。

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1 }6 B; [6 f2 R; Z) y9 O6 U6 t        一切OK准备就绪，但是在linux环境下编译我们还要写一个makefile，哇天啊，好吧，认栽吧，写吧。
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! s: x; z* h3 J* `3 ]& O        ······
/ }8 |7 ~& W! X7 c. h6 z& I2 g6 \3 O
" F* n) E" s/ {; H         现在可以打开virtualbox，先浏览一下放在桌面的那些文件，比如


8 I5 h: h) d( d

        可大概看看这个环境可以做些什么东西。


        然后打开home folder，点啊点，点啊点

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$ |8 `) t. a" i! k0 n* ]        在orpmon文件夹中包含一个opencores社区针对or1200做的bootloader，而且，我在写makefile的时候都是参考这个bootloader的makefile写的，至于怎么去写一个makefile，参考《跟我一起写 Makefile.pdf》和《GNU+makefile中文手册.pdf》这两个手册咯。

twel2e

现在我们终于可以把FPGA当成个单片机使了，稍微比单片机猛一点，但是绝对比单片机贵一个数量级，FPGA现在能完成由CPU做的事

CCxiaom

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