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ARM学习笔记之——MiniOS

发布时间：2020-08-26 发布时间：
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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：
 
  1.     AREA    Start, CODE, READONLY  
  2.     ENTRY                       ; 代码段开始  
  3.     b   Reset  
  4.         ……  
  5. Reset                                                   ; Reset异常处理符号  
  6.     bl  clock_init                  ; 跳往时钟初始化处理  
  7.     bl  mem_init                    ; 跳往内存初始化处理  
  8.     ldr sp, =SVC_STACK                      ; 设置管理模式栈指针，common_asm.h中定义  
  9.     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：
 
  1. copy_code                       ; 代码拷贝开始符号   
  2.     mov r0, #0x0                    ; R0中为数据开始地址 (ROM数据保存在0地址开始处)  
  3.     ldr r1, =|Image
    RO
    Base|                          ; R1中存放RO输出域运行地址，  
  4.     ldr r2, =|Image
    ZI
    Limit|                         ; R2中存放ZI输出域结束地址，  
  5.     sub r2, r2, r1                  ; R2 = R2 - R1，得出待拷贝数据长度  
  6.     bl  CopyCode2Ram                                    ; 将R0,R1,R2三个参数传递给CopyCode2Ram函数执行拷贝  
  7.       
  8.     ldr r0, =|Image
    ZI
    Base|  
  9.     ldr r1, =|Image
    ZI
    Limit|  
  10.     bl  clear_bss_region  
  11.       
  12.     bl stack_init                   ; 跳往栈初始化代码处  
  13.   
  14.     msr cpsr_c, #0x5f                       ; 开启系统中断，进入系统模式  
  15.     ldr lr, =halt_loop                          ; 设置返回地址  
  16.     ldr pc, =xmain                  ; 跳往main函数，进入OS启动处理  
  17. halt_loop                         
  18.     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。
 
  1. int xmain(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. void pgtb_init()   
  2. {  
  3.     unsigned long entry_index, SFR_base;  
  4.   
  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;  
  10.   
  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 
  13.         *( mmu_tlb_base + (entry_index >> 20) ) = entry_index | SEC_DESC;  
  14.     }  
  15.   
  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 
  19.         *(mmu_tlb_base+(entry_index>>20)) = SFR_base | SEC_DESC;  
  20.     }  
  21.   
  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 
  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.     }  
  52.       
  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. void mmu_init()  
  2. {  
  3.     unsigned long ttb = MMU_TABLE_BASE;  
  4.     /* reg1待清除位 */  
  5.     int reg0, 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.     int CP15_C1_set = (VECTOR | ICACHE | DCACHE | ALIGN | MMU_ON);  
  9.     __asm{  
  10.         mov reg0, #0  
  11.         /* 使ICaches和DCaches无效 */  
  12.         mcr p15, 0, reg0, c7, c7, 0  
  13.         /* 使能写入缓冲器 */  
  14.         mcr p15, 0, reg0, c7, c10, 4  
  15.         /* 使指令，数据TLB无效无效 */  
  16.         mcr p15, 0, reg0, c8, c7, 0  
  17.         /* 页表基址写入C2 */  
  18.         mcr p15, 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.         mvn reg0, #0x2  
  21.         /* 写入域控制信息 */  
  22.         mcr p15, 0, reg0, c3, c0, 0  
  23.         /* 取出C1寄存器中值给reg0 */  
  24.         mrc p15, 0, reg0, c1, c0, 0  
  25.         /* 先清除不需要的功能，现开启 */  
  26.         bic reg0, reg0, reg1  
  27.         /* 设置相关位并开启MMU */  
  28.         orr reg0, reg0, CP15_C1_set   
  29.         mcr p15, 0, reg0, c1, c0, 0  
  30.     }  
  31.     //DPRINTK(KERNEL_DEBUG, "Mmu init OK");  
  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。
 

2.4 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：
 
  1. int xmain(void)  
  2. {  
  3.     // PC=0x33FF???? , SP=0x33FF0000 , MMU=关  
  4.     pgtb_init();                // 建立页表  
  5.     mmu_init();             // mmu初始化  
  6.   
  7.     // PC=0x33FF???? , SP=0x33FF0000 , MMU=开  
  8.   
  9.     // 对UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY进行初始化      
  10.   
  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   
  14.   
  15.     ENTER_USR_MODE();           // 进入用户模式  
  16.   
  17.     // 进程0执行内容  
  18.     while(1){  
  19.         DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"kernel:process 0");  
  20.         printk("process 0, idle");  
  21.         wait(1000000);  
  22.     }  
  23.     return 0;  
  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  
  12.  

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