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        ARM學習筆記之——MiniOS
        
						
        
				作者：
				時間：2016-11-20
				來源：網絡
				
				
				
				
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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》，看完了ARM體系結構與編程這一章。在這章節的最后，作者做了一個用于總結前面所學內容的操作系統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思。
        本文引用地址：http://www.104case.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）系統是怎么開啟MMU的，為什么開啟了MMU內存地址重映射之后程序還能正常運行？
           （4）main( ) 函數是怎么變成task0的？
           （5）任務之間是怎么切換的？
           （6）任務中怎么被創建，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：系統函數調用、任務調度機制、LED、UART、按鍵怎么實現，不做過多研究。
        2. 詳細內容
        2.1 系統是怎么啟動的？
           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標號上繼續執行。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
        6. blclock_init;跳往時鐘初始化處理
        7. blmem_init;跳往內存初始化處理
        8. ldrsp,=SVC_STACK;設置管理模式棧指針，common_asm.h中定義
        9. bldisable_watch_dog;關閉看門狗
           之后所有的跳轉都是用到b或bl，進行相對跳轉。再跳轉也是以PC為起始，相對位置跳轉，不會受運行地址的影響。
           初始化了時鐘、SDRAM、關閉看門狗、設置sp。有人可能會問：為什么在進行了bl之后再設置棧指針？其實，哪里設置都無所謂，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地址復制一份到0x33FF0000地址上。然后再來一個絕對地址跳轉，轉到0x33FF0000地址域上的xmain地址處繼續執行。如下：
        1. copy_code;代碼拷貝開始符號
        2. movr0,#0x0;R0中為數據開始地址(ROM數據保存在0地址開始處)
        3. ldrr1,=|Image
          RO
          Base|;R1中存放RO輸出域運行地址，
        4. ldrr2,=|Image
          ZI
          Limit|;R2中存放ZI輸出域結束地址，
        5. subr2,r2,r1;R2=R2-R1，得出待拷貝數據長度
        6. blCopyCode2Ram;將R0,R1,R2三個參數傳遞給CopyCode2Ram函數執行拷貝
        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;開啟系統中斷，進入系統模式
        15. ldrlr,=halt_loop;設置返回地址
        16. ldrpc,=xmain;跳往main函數，進入OS啟動處理
        17. halt_loop
        18. bhalt_loop;死循環
         在執行了”ldr pc, =xmain“這條指令之后，PC就指向了SDRAM的0x33FF0000地址區域上了，不再是NorFlash上了，從此達到了運行地址與加載地址的統一。謹記！
           xmain()函數定議在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函數中，pgtb_init() 函數的功能就是構建頁表，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內部進程管理*/
        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
        24. *進程1：物理地址空間0x30100000-0x301fffff，對應MVA（修正虛擬地址，進程PID<<25形成）
        25. *MVA地址空間：0x02000000-0x021fffff
        26. *進程2：物理地址空間0x30200000-0x302fffff
        27. *MVA地址空間：0x04000000-0x041fffff
        28. *.........
        29. *進程23：物理地址空間0x31700000-0x317fffff
        30. *MVA地址空間：0x2E000000-0x2E1fffff
        31. *對應進程24由于MVA地址空間是0x30000000是物理內存起始空間，該空間用來放置頁表，并且前面已經用該
        32. *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，
        33. *跳過進程號25
        34. *進程24：物理地址空間0x31800000-0x318fffff
        35. *MVA地址空間：0x30000000-0x31ffffff
        36. *進程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. *進程26：物理地址空間0x31A00000-0x31Afffff
        44. *MVA地址空間：0x34000000-0x35ffffff
        45. *.........
        46. *進程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，可以通常設置CP15，C1寄存器V位，當異常產生時，由硬件自動去0xFFFF0000
        56. *地址處執行異常跳轉執行，而不是之前的0地址處異常向量表跳轉，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存空間。
           0xA0000000~0xA01FFFFF地址指向0x00000000~0x001FFFFF，NorFlash物理空間。
        2.3系統是怎么開啟MMU的，為什么開啟了MMU內存地址重映射之后程序還能正常運行？
           在開啟MMU之前，數據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換。同樣一個地址并不一定提向的同一個數據內間。
           那在mmu_init()函數開啟MMU之后出現什么樣的反應呢？
        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設置位：異常向量表設置在高地址，使用ICACHE，系統采用小端模式，
        7. 使用DCACHE，使用地址對齊檢查，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，數據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，其它域為0b11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，現開啟*/
        26. bicreg0,reg0,reg1
        27. /*設置相關位并開啟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候，我在想。這個一開啟MMU之后，這個函數還能正常返回嗎？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，當在執行完”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過MMU轉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節圖中所示，0x30000000~0x33FFFFFF地址空間上的虛擬地址與物理地址是對應的。也就是說，虛擬地址==物理地址。
           所以，程序能夠正常執行。
        2.4main( ) 函數是怎么變成task0的？
           OSCreateProcess（）函數所創建任務的ID號從1開始計數。至于任務0，就是xmain（）函數自己。
           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
        4. pgtb_init();//建立頁表
        5. mmu_init();//mmu初始化
        7. //PC=0x33FF????,SP=0x33FF0000,MMU=開
        9. //對UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY進行初始化
        11. OS_ENTER_CRITICAL();//關閉中斷，準備進入進程初始化函數
        12. sched_init();//進程調度初始化
        13. OS_EXIT_CRITICAL();//開啟中斷
        15. ENTER_USR_MODE();//進入用戶模式
        17. //進程0執行內容
        18. while(1){
        19. DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"kernel:process0");
        20. printk("process0,idle");
        21. wait(1000000);
        22. }
        23. return0;
        24. }
           執行到 xmain 函數時，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。
           在執行完 mmu_init 函數之后，所有的數據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 函數中，讀寫的寄存器地址。
           sched_init() 函數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號進程*/
        2. p=&task[0];//p指向0號進程PCB
        3. p->pid=0;//設置0號進程pid
        4. p->state=TASK_RUNNING;//設置其運行狀態為就緒態
        5. p->count=5;//設置其時間片為5
        6. p->priority=5;//設置優先級為5
        7. p->content[0]=0x5f;//保存狀態寄存器cpsr值，表示為系統模式，開啟中斷
        8. p->content[1]=SYS_MODE_STACK_BASE;//設置當前進程棧指針
        9. p->content[2]=0;
        10. p->content[16]=0;//設置PC寄存器的值為0，該進程起始地址被MMU映射為0地址
        11. current=&task[0];//當前運行進程為0號進程

        
				
            
                
			
							
        
                
			              
              
            
        
		
        
		
        
		
        
		
        
		
        
			
          
				
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        關鍵詞：
            			            ARMMiniO
                        
            
        
            
			
        
		
        	
		

	

        
	
	
        
		
        
			
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