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ARM学习笔记之——MiniOS

作者： 时间：2016-11-20 来源：网络
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1. 概述

最近，我花了大量的时间学习了杨铸老师写的《深入浅出嵌入式底层软件开发》，看完了ARM体系结构与编程这一章。在这章节的最后，作者做了一个用于总结前面所学内容的操作系统MiniOS，并附带了其中的源代码。我认真学习了其中的所有代码，悟到了其中非常巧妙的构思。

本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/201611/318808.htm

读这个MiniOS源代码我遇到了最大的几个问题如下：

（1）系统是怎么启动的？

（2）开启了MMU后，虚拟地址是怎么映射上物理地址上的？

（3）系统是怎么开启MMU的，为什么开启了MMU内存地址重映射之后程序还能正常运行？

（4）main( ) 函数是怎么变成task0的？

（5）任务之间是怎么切换的？

（6）任务中怎么被创建，并运行起来的？

上述这几个问题都是很细微，但又很难搞清楚的核心知识。笔者在此把自己悟到的东西分享出来，供大家参考。

其它，如：系统函数调用、任务调度机制、LED、UART、按键怎么实现，不做过多研究。

2. 详细内容

2.1 系统是怎么启动的？

首先说明，书上提供的MiniOS工程编译后的运行地址为0x33FF0000，不是 0x00000000，这点很重要。
-info totals -ro-base 0x33ff0000 -first start.o
而程序编译完成后，生成了bin文件将被烧录到NorFlash的0x00000000地址上，也就很重要！
ARM复位后，PC从NorFlash的0x00000000地址上取提，也就是”b Reset“，之后跳到Reset标号上继续执行。代码如下：
  1. AREAStart,CODE,READONLY
  2. ENTRY;代码段开始
  3. bReset
  4. ……
  5. Reset;Reset异常处理符号
  6. blclock_init;跳往时钟初始化处理
  7. blmem_init;跳往内存初始化处理
  8. ldrsp,=SVC_STACK;设置管理模式栈指针，common_asm.h中定义
  9. bldisable_watch_dog;关闭看门狗
之后所有的跳转都是用到b或bl，进行相对跳转。再跳转也是以PC为起始，相对位置跳转，不会受运行地址的影响。
初始化了时钟、SDRAM、关闭看门狗、设置sp。有人可能会问：为什么在进行了bl之后再设置栈指针？其实，哪里设置都无所谓，因为bl指令返回地址只保存在LR寄存器中，不放在栈里。SP被设置成了0x33FF0000，向下扩展，将来还会提及。
然后初始化SDRAM（如果不初始化，SDRAM是不能使用的），将程序自己从0x00000000地址复制一份到0x33FF0000地址上。然后再来一个绝对地址跳转，转到0x33FF0000地址域上的xmain地址处继续执行。如下：
  1. copy_code;代码拷贝开始符号
  2. movr0,#0x0;R0中为数据开始地址(ROM数据保存在0地址开始处)
  3. ldrr1,=|Image
    RO
    Base|;R1中存放RO输出域运行地址，
  4. ldrr2,=|Image
    ZI
    Limit|;R2中存放ZI输出域结束地址，
  5. subr2,r2,r1;R2=R2-R1，得出待拷贝数据长度
  6. blCopyCode2Ram;将R0,R1,R2三个参数传递给CopyCode2Ram函数执行拷贝
  8. ldrr0,=|Image
    ZI
    Base|
  9. ldrr1,=|Image
    ZI
    Limit|
  10. blclear_bss_region
  12. blstack_init;跳往栈初始化代码处
  14. msrcpsr_c,#0x5f;开启系统中断，进入系统模式
  15. ldrlr,=halt_loop;设置返回地址
  16. ldrpc,=xmain;跳往main函数，进入OS启动处理
  17. halt_loop
  18. bhalt_loop;死循环
在执行了”ldr pc, =xmain“这条指令之后，PC就指向了SDRAM的0x33FF0000地址区域上了，不再是NorFlash上了，从此达到了运行地址与加载地址的统一。谨记！
xmain()函数定议在main.c文件中。
  1. intxmain(void)
  2. {
  3. pgtb_init();//建立页表
  4. mmu_init();//mmu初始化
  5. uart_init();//串口初始化
  6. irq_init();//中断初始化
  7. Timer0_init();//定时器0初始化
  8. key_init();//按键初始化
  9. led_init();//led灯初始化
  10. }

2.2 开启了MMU后，虚拟地址是怎么映射上物理地址上的？

在xmain函数中，pgtb_init() 函数的功能就是构建页表，TTB=0x300F0000。
  1. voidpgtb_init()
  2. {
  3. unsignedlongentry_index,SFR_base;
  5. /*建立到Norflash的2MB的地址空间的映射*/
  6. /*0xA0000000映射到0开始的1MB地址空间*/
  7. *(mmu_tlb_base+(0xA0000000>>20))=0x0|SEC_DESC;
  8. /*0xA0100000映射到0x100000~0x1FFFFF的1MB地址空间*/
  9. *(mmu_tlb_base+(0xA0100000>>20))=0x100000|SEC_DESC;
  11. /*令0x30000000~0x34000000的64MB虚拟地址等于物理地址空间，方便miniOS内部进程管理*/
  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地址空间映射到0xC8000000~0xE0000000虚拟地址空间*/
  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. *进程1-23号进程地址空间，每个进程32MB，miniOS允许进程使用32MB虚拟地址空间，但是只分配其1MB的实际物理空间
  24. *进程1：物理地址空间0x30100000-0x301fffff，对应MVA（修正虚拟地址，进程PID<<25形成）
  25. *MVA地址空间：0x02000000-0x021fffff
  26. *进程2：物理地址空间0x30200000-0x302fffff
  27. *MVA地址空间：0x04000000-0x041fffff
  28. *.........
  29. *进程23：物理地址空间0x31700000-0x317fffff
  30. *MVA地址空间：0x2E000000-0x2E1fffff
  31. *对应进程24由于MVA地址空间是0x30000000是物理内存起始空间，该空间用来放置页表，并且前面已经用该
  32. *地址空间做了映射，因此它不能被映射成，24号进程的物理地址空间，跳过该进程号24，同样道理，
  33. *跳过进程号25
  34. *进程24：物理地址空间0x31800000-0x318fffff
  35. *MVA地址空间：0x30000000-0x31ffffff
  36. *进程25：物理地址空间0x31900000-0x319fffff
  37. *MVA地址空间：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. *进程26：物理地址空间0x31A00000-0x31Afffff
  44. *MVA地址空间：0x34000000-0x35ffffff
  45. *.........
  46. *进程62：物理地址空间0x33E00000-0x33Efffff
  47. *MVA地址空间：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. *异常向量表
  55. *0xFFFF0000为高地址异常向量表，可以通常设置CP15，C1寄存器V位，当异常产生时，由硬件自动去0xFFFF0000
  56. *地址处执行异常跳转执行，而不是之前的0地址处异常向量表跳转，我们将该虚拟地址映射到0x33F00000这1MB地址
  57. *空间，同样，将全部miniOS代码拷贝到这1MB地址空间来。
  58. */
  59. *(mmu_tlb_base+(0xffff0000>>20))=((VECTORS_PHY_BASE)|SEC_DESC);
  60. }

完成之后，虚拟地址映射如下：
访问0x33FF0000~0x33FFFFFF 与 0xFFF00000~0xFFFFFFFF地址是同一块物理内存空间。
0xA0000000~0xA01FFFFF地址指向0x00000000~0x001FFFFF，NorFlash物理空间。

2.3系统是怎么开启MMU的，为什么开启了MMU内存地址重映射之后程序还能正常运行？

在开启MMU之前，数据访问是直接访问物理地址。但是开启了MMU后，所有的地址访问都需要通过一次虚拟地址转换。同样一个地址并不一定提向的同一个数据内间。
那在mmu_init()函数开启MMU之后出现什么样的反应呢？
  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设置位：异常向量表设置在高地址，使用ICACHE，系统采用小端模式，
  7. 使用DCACHE，使用地址对齐检查，开启MMU*/
  8. intCP15_C1_set=(VECTOR|ICACHE|DCACHE|ALIGN|MMU_ON);
  9. __asm{
  10. movreg0,#0
  11. /*使ICaches和DCaches无效*/
  12. mcrp15,0,reg0,c7,c7,0
  13. /*使能写入缓冲器*/
  14. mcrp15,0,reg0,c7,c10,4
  15. /*使指令，数据TLB无效无效*/
  16. mcrp15,0,reg0,c8,c7,0
  17. /*页表基址写入C2*/
  18. mcrp15,0,ttb,c2,c0,0
  19. /*将0x2取反变成0xFFFFFFFD，Domain0=0b01为用户模式，其它域为0b11管理模式*/
  20. mvnreg0,#0x2
  21. /*写入域控制信息*/
  22. mcrp15,0,reg0,c3,c0,0
  23. /*取出C1寄存器中值给reg0*/
  24. mrcp15,0,reg0,c1,c0,0
  25. /*先清除不需要的功能，现开启*/
  26. bicreg0,reg0,reg1
  27. /*设置相关位并开启MMU*/
  28. orrreg0,reg0,CP15_C1_set
  29. mcrp15,0,reg0,c1,c0,0
  30. }
  31. //DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"MmuinitOK");
  32. }
刚开始，我在看上面代码的时候，我在想。这个一开启MMU之后，这个函数还能正常返回吗？原来MMU在启时前保存的返回地址（物理地址），在MMU开启后这个地址（虚拟地址）对应的还是原来的物理地址吗？除非一种情况： 虚拟地址与物理地址一致。
上述代码为初始化MMU的函数，当在执行完”mcr p15, 0, reg0, c1, c0, 0“ 指令之后，MMU被开启了。所有的地址访问都要经过MMU转换成物理地址才能访问。而mmu_init()此时运行在SDRAM中0x33FF0000地址域上。由2.2节图中所示，0x30000000~0x33FFFFFF地址空间上的虚拟地址与物理地址是对应的。也就是说，虚拟地址==物理地址。
所以，程序能够正常执行。

2.4main( ) 函数是怎么变成task0的？

OSCreateProcess（）函数所创建任务的ID号从1开始计数。至于任务0，就是xmain（）函数自己。
xmain()自己怎么跑到task0的位置上去坐着的呢？看main.c代码：
  1. intxmain(void)
  2. {
  3. //PC=0x33FF????,SP=0x33FF0000,MMU=关
  4. pgtb_init();//建立页表
  5. mmu_init();//mmu初始化
  7. //PC=0x33FF????,SP=0x33FF0000,MMU=开
  9. //对UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY进行初始化
  11. OS_ENTER_CRITICAL();//关闭中断，准备进入进程初始化函数
  12. sched_init();//进程调度初始化
  13. OS_EXIT_CRITICAL();//开启中断
  15. ENTER_USR_MODE();//进入用户模式
  17. //进程0执行内容
  18. while(1){
  19. DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"kernel:process0");
  20. printk("process0,idle");
  21. wait(1000000);
  22. }
  23. return0;
  24. }
执行到 xmain 函数时，PC地址是在 SDRAM 的 0x33FF???? 上的，而且SP栈指针在 start.s 中已指定向了 0x33FF0000。
在执行完 mmu_init 函数之后，所有的数据访问均是通过虚拟地址访问的。包括接下来的UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY的初始化，通是访问的虚拟地址。详见uart_init 函数中，读写的寄存器地址。
sched_init() 函数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号进程*/
  2. p=&task[0];//p指向0号进程PCB
  3. p->pid=0;//设置0号进程pid
  4. p->state=TASK_RUNNING;//设置其运行状态为就绪态
  5. p->count=5;//设置其时间片为5
  6. p->priority=5;//设置优先级为5
  7. p->content[0]=0x5f;//保存状态寄存器cpsr值，表示为系统模式，开启中断
  8. p->content[1]=SYS_MODE_STACK_BASE;//设置当前进程栈指针
  9. p->content[2]=0;
  10. p->content[16]=0;//设置PC寄存器的值为0，该进程起始地址被MMU映射为0地址
  11. current=&task[0];//当前运行进程为0号进程

关键词： ARMMiniO

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