ARM学习笔记之——MiniOS

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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。

       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:
	AREA    Start, CODE, READONLY
	ENTRY						; 代码段开始
    b   Reset
        ……
Reset                                                   ; Reset异常处理符号
    bl	clock_init					; 跳往时钟初始化处理
    bl	mem_init					; 跳往内存初始化处理
    ldr	sp, =SVC_STACK				        ; 设置管理模式栈指针,common_asm.h中定义
    bl	disable_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:
copy_code 						; 代码拷贝开始符号
    mov r0, #0x0					; R0中为数据开始地址 (ROM数据保存在0地址开始处)
    ldr	r1, =|Image$$RO$$Base|                          ; R1中存放RO输出域运行地址,
    ldr r2, =|Image$$ZI$$Limit|                         ; R2中存放ZI输出域结束地址,
    sub r2, r2, r1					; R2 = R2 - R1,得出待拷贝数据长度
    bl	CopyCode2Ram                                    ; 将R0,R1,R2三个参数传递给CopyCode2Ram函数执行拷贝

    ldr	r0, =|Image$$ZI$$Base|
    ldr r1, =|Image$$ZI$$Limit|
    bl	clear_bss_region

    bl stack_init					; 跳往栈初始化代码处

    msr	cpsr_c,	#0x5f           			; 开启系统中断,进入系统模式
    ldr	lr, =halt_loop                  		; 设置返回地址
    ldr	pc, =xmain					; 跳往main函数,进入OS启动处理
halt_loop
    b	halt_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。
int xmain(void)
{
	pgtb_init();				// 建立页表
	mmu_init();				// mmu初始化
	uart_init();				// 串口初始化
	irq_init();				// 中断初始化
	Timer0_init();				// 定时器0初始化
	key_init();				// 按键初始化
	led_init(); 				// led灯初始化
}

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。

void pgtb_init()
{
    unsigned long entry_index, SFR_base;

    /* 建立到Norflash的2MB的地址空间的映射 */
    /* 0xA0000000 映射到0开始的1MB地址空间 */
    *( mmu_tlb_base + (0xA0000000 >> 20) ) = 0x0 | SEC_DESC;
    /* 0xA0100000 映射到0x100000~0x1FFFFF的1MB地址空间 */
    *( mmu_tlb_base + (0xA0100000 >> 20) ) = 0x100000 | SEC_DESC;

    /* 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 */
    for(entry_index = 0x30000000; entry_index < 0x34000000; entry_index += 0x100000) {
		*( mmu_tlb_base + (entry_index >> 20) ) = entry_index | SEC_DESC;
    }

	/* 特殊功能寄存器0x48000000~0x60000000地址空间映射到0xC8000000~0xE0000000虚拟地址空间 */
	for(entry_index = 0x48000000 + 0x80000000, SFR_base = 0x48000000;
		SFR_base < 0x60000000 ; entry_index += 0x100000, SFR_base += 0x100000 ){
		*(mmu_tlb_base+(entry_index>>20)) = SFR_base | SEC_DESC;
	}

	/*
	* 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
	* 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)
	*         MVA地址空间:0x02000000-0x021fffff
	* 进程2:物理地址空间  0x30200000-0x302fffff
	*         MVA地址空间:0x04000000-0x041fffff
	*  ...        ...         ...
	* 进程23:物理地址空间 0x31700000-0x317fffff
	*         MVA地址空间:0x2E000000-0x2E1fffff
	* 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
	* 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,
	* 跳过进程号25
	* 进程24:物理地址空间 0x31800000-0x318fffff
	*         MVA地址空间:0x30000000-0x31ffffff
	* 进程25:物理地址空间 0x31900000-0x319fffff
	*         MVA地址空间:0x32000000-0x33ffffff
	*/
	for(entry_index = 1; entry_index < 24; entry_index++){
		*(mmu_tlb_base+((entry_index*0x02000000)>>20)) = (entry_index*0x00100000+SDRAM_BASE) | SEC_DESC;
	}
	/*
	* 进程26:物理地址空间 0x31A00000-0x31Afffff
	*         MVA地址空间:0x34000000-0x35ffffff
	*   ...        ...         ...
	* 进程62:物理地址空间 0x33E00000-0x33Efffff
	*         MVA地址空间:0xC4000000-0xC5ffffff
	*/
	for(entry_index = 26; entry_index < TASK_SZ; entry_index++){
		*(mmu_tlb_base+((entry_index*0x02000000)>>20)) = (entry_index*0x00100000+SDRAM_BASE) | SEC_DESC;
	}

	/*
	* 异常向量表
	* 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
	* 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
	* 空间,同样,将全部miniOS代码拷贝到这1MB地址空间来。
	*/
	*(mmu_tlb_base + (0xffff0000>>20)) = ((VECTORS_PHY_BASE) | SEC_DESC);
}
       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?
void mmu_init()
{
	unsigned long ttb = MMU_TABLE_BASE;
	/* reg1待清除位 */
	int reg0, reg1 = (VECTOR | ICACHE | R_S_BIT | ENDIAN | DCACHE | ALIGN | MMU_ON);
	/* 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,
		使用DCACHE, 使用地址对齐检查,开启MMU */
	int CP15_C1_set = (VECTOR | ICACHE | DCACHE | ALIGN | MMU_ON);
	__asm{
		mov	reg0, #0
		/* 使ICaches和DCaches无效 */
		mcr	p15, 0, reg0, c7, c7, 0
		/* 使能写入缓冲器 */
		mcr	p15, 0, reg0, c7, c10, 4
		/* 使指令,数据TLB无效无效 */
		mcr	p15, 0, reg0, c8, c7, 0
		/* 页表基址写入C2 */
		mcr	p15, 0, ttb, c2, c0, 0
		/* 将0x2取反变成0xFFFFFFFD,Domain0 = 0b01为用户模式,其它域为0b11管理模式 */
		mvn	reg0, #0x2
		/* 写入域控制信息 */
		mcr	p15, 0, reg0, c3, c0, 0
		/* 取出C1寄存器中值给reg0 */
		mrc	p15, 0, reg0, c1, c0, 0
		/* 先清除不需要的功能,现开启 */
		bic	reg0, reg0, reg1
		/* 设置相关位并开启MMU */
		orr	reg0, reg0, CP15_C1_set
		mcr	p15, 0, reg0, c1, c0, 0
	}
	//DPRINTK(KERNEL_DEBUG, "Mmu init OK");
}
       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。

2.4 main( ) 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:
int xmain(void)
{
    // PC=0x33FF???? , SP=0x33FF0000 , MMU=关
    pgtb_init();				// 建立页表
    mmu_init();				// mmu初始化

    // PC=0x33FF???? , SP=0x33FF0000 , MMU=开

    // 对UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY进行初始化

    OS_ENTER_CRITICAL();                        // 关闭中断,准备进入进程初始化函数
    sched_init();                               // 进程调度初始化
    OS_EXIT_CRITICAL();                         // 开启中断

    ENTER_USR_MODE();			// 进入用户模式

    // 进程0执行内容
    while(1){
        DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"kernel:process 0");
        printk("process 0, idle");
        wait(1000000);
    }
    return 0;
}

       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] 。
	/* 初始化0号进程 */
	p = &task[0];					// p指向0号进程PCB
	p->pid = 0;					// 设置0号进程pid
	p->state = TASK_RUNNING;			// 设置其运行状态为就绪态
	p->count = 5;					// 设置其时间片为5
	p->priority = 5;				// 设置优先级为5
	p->content[0] = 0x5f;				// 保存状态寄存器cpsr值,表示为系统模式,开启中断
	p->content[1] = SYS_MODE_STACK_BASE;            // 设置当前进程栈指针
	p->content[2] = 0;
	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
	current = &task[0];				// 当前运行进程为0号进程