linux学习之路_or1200第一个裸机程序（上）

mutougeda

& ?" k; A& n  B+ R3 ?; z: [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。
/ C$ G, t: D3 C2 F7 J( U% b2 [        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。
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        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 m+ d  ?: {+ a' h' Y
        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。
* h& k% @( J! H/ S
, O, ?$ Y  C( n6 z        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。

        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。

        大概浏览一下UART16550的结构后我们就来咯，敲代码。
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        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。

4 _+ W8 ]& |" `! V        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。

! X  i& N2 Z1 {3 L  N$ Q' V# p        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。
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        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。
4 z* H: t0 y. [
        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。

4 a  w7 G  k' L' V1 x' E        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。
$ i8 s! J! h2 d: G2 Q
, P. D+ k- P, J& J. s( S* H
        先看0x100的异常向量，3行代码，是不是很有成就感。
6 X' Y  N  x- o% p. w+ v



        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。


& n5 P& J; f3 k) ]3 L- T

; y- R: \. _# H! I        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
! V% w  A, d2 X6 e% @  |8 X
l.movhi rD,K

rD[31:0] < -extz(Immediate) < < 16
3 |+ ?. e1 n7 _5 u* A
6 z$ y- h) \. ]  o" r        所以18行将symbol的高16位存入gpr中。
2 T/ N. i; N6 n% Z
        l.or是or1200处理器的逻辑指令按位或，作用不用讲了吧，
( D3 d; `' V3 h$ f  N9 M  X" j7 K
l.or rD,rA,rB

( ?7 c8 m! r- arD[31:0] < -rA[31:0] OR rB[31:0]

1 B2 {9 Z0 b2 ]& P4 Z        所以19行将symbol的低16位存入gpr中。

3 G0 P! T4 J! v4 y        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。
' Y# ]+ A8 g4 T8 o3 x0 j7 R0 Z( P7 M
        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。
! N3 w/ F( K- ?, O4 O3 O6 i
5 q, d: v  T2 n) t3 H/ d: ~% a+ a, U8 ^8 b# _        好，continue······


        Sourceinsight中一跳，转到_reset标号上

1 J- c: I" d. C0 E; @0 j" H9 S

! a2 a+ o) k. [8 p0 e1 Y6 g
3 k$ @* C- G+ u, \        l.movhi，l.ori很熟悉啊，目的将r0寄存器清零。

# g" v: T! a% D" R% e& J        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。


/ l" d* S" H4 Q/ \! p
6 l; Y' j  f5 R" C" _
        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。

& e* u: q8 w: S& S8 J) ~4 P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

8 m; e& D' f; z/ C& `' N

, s0 Z# `# G  }: ]3 C5 S# ]
% i% u( [  {, e/ A' n! L+ d7 Y        在《openrisc-arch-1.0-rev0.pdf》中可以看到，SPR_SR的first bit就是SM位
( B: p- M$ Z  V3 f
& a( ^+ D; h6 H( o: P        为1时就是Supervisor Mode

        继续往下看，有个CLEAR_GPR的宏，目的是将gpr设置成r0的值
: X0 e. }' p0 e

/ e6 @% C: R8 @& p# W/ G2 }

        在or1200中，r0被设置成常数0，做与这个宏的作用就是清零

2 w/ g9 r& L4 R7 f$ r6 }+ G好，继续

3 I6 e* V. I# a8 L+ S0 [9 Y
# o5 }( C! x/ B$ d- f  B/ N3 g
2 t: K* {# w' c: Q; H# i

) {# [* l, [& ^0 m7 C1 a        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。
0 S0 x6 V" r: W0 ]

: g7 r( k4 V- F: R3 V5 t
7 G" M# x, l$ J
        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。

8 n  M8 x+ r; c6 m        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。

2 t7 |, X9 i6 B$ }* S$ r8 L        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

  q4 [3 \) s1 a( J- ]/ p


        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。

        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······
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" W; E2 ]* X3 b. G+ x4 s+ P        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，

        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。

         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。
# n9 a, n! {) g* L' [% [
        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。
! v2 c0 w5 N% a- K6 \
        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
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: Q7 f% h5 [4 l9 b' K, Z


% V& j, m- H- z* z- j2 _        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。
! j4 P# g# J$ ~3 ^% N7 V6 T- ^4 ]

+ a( k% R; x8 R+ u/ C1 J) S, _        ram段就是开始存放我们uart的程序代码啦，继续看······

7 W, H6 U6 f+ E
6 H  ]" u$ w6 U3 R: N7 ^, M: X

        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？

4 J. S8 o; p6 s" w" K: ?

# q  B. R8 [) m2 ^7 L( g+ ^  b4 R3 @- v
8 f# B- J* G5 i+ I- j; y' N4 N9 M        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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% w+ r1 A& l* C* j  h( S8 w        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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- E8 s- d; U0 {7 |; G0 R: G1 o        ······
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         现在可以打开virtualbox，先浏览一下放在桌面的那些文件，比如



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% s) _/ d; I' C' \- t9 I        可大概看看这个环境可以做些什么东西。
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        然后打开home folder，点啊点，点啊点



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% s9 |/ C$ i8 N: d        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。
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CCxiaom

or1200第一个裸机程序（上）

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
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