| LED流水灯
象棋小子 1048272975
嵌入式教程中流水灯以及程序教程中的”Hello world”都有其特殊的意义，意味着入门。笔者此处也不例外，分别以汇编、c语言在IAR下点流水灯作为S5PV210入门程序。点流水灯之前必须对芯片有基本的认识，包括其指令集、流水线等内核架构，基本的启动流程，基本的编译器开发特性等，只有这样点亮的流水灯才算实现其意义。
1.指令集
S5PV210是Cortex-A8内核，该内核为ARMv7-A架构，支持两个最主要的指令集：32位ARM指令集以及16/32位Thumb-2指令集。ARM指令集每条指令采用32位长度，具有最高的效率，但也需要更多的代码空间，ARM指令集是向后兼容的，即ARMv7-A的处理器几乎可以直接执行ARMv4架构的ARM指令集代码(如ARM7的应用代码)。Thumb-2是Thumb的扩展指令集，在ARMv6架构前，Thumb作为16位指令集，是作为ARM指令集的子集，它是为了减小代码量而提出的，并不完整，只支持通用功能，无法脱离ARM指令集。在ARMv7架构中，Thumb-2作为必备指令集，它支持16/32混合指令模式，几乎实现了所有的ARM指令集功能，并且效率接近ARM指令集，代码密度接近Thumb指令集。Thumb-2指令集的引入意味着程序存储器可以更小，在一些Cache应用中，相同容量的指令Cache可以缓存更多的指令，提高了指令Cache命中率，间接提升了内核性能。例如，对于Cortex-M内核，更是只支持Thumb-2指令集，因此一般无特殊情况，对于ARMv7内核，也可以直接采用Thumb-2指令集。
2.流水线
S5PV210内核Cortex-A8配置了先进的超标量体系结构管线，能够同时执行多条指令，提供超过2.0 DMIPS/MHZ，集成了32k/32k的指令/数据一级缓存以及512k的二级缓存，从而达到最快的读取速度和最大的吞吐量，使用了先进的分支预测技术，并且具有专用的NEON整形和浮点型管线进行媒体和信号处理。
Cortex-A8流水线架构基于双对称、顺序发射的13级流水线，硬件上具有I/D Cache、分支预测结构，因此指令在流水线的流入流出过程变得不明确，但仍可以通过统计分析其大概的过程。
S5PV210在上电启动后，最先执行内部BL0代码，代码只初始化并开启I Cache，其它D Cache、L2 Cache、分支预测均是关闭的，设置了CPU主频为400M，最后是跳转到用户的BL1代码。我们在BL1中的流水灯代码根据以上信息，可以设计一个较精确的软件延时函数，每次访问I Cache均会命中，每次访问D Cache均从主存读取，需要相应周期的等待延时，每次跳转均会分支预测失败，清流水线需额外13个CPU时钟。在一个实用的系统中，I/D Cache、分支预测等硬件功能必须开启，不然CPU性能大大打折扣。
3.汇编实现
汇编代码中有两点需要注意:
1) ARMv7-A架构推荐基本用Thumb-2指令集，有相当好的效率以及较好的代码密度，BL0跳转到BL1时是ARM状态，因此BL1流水灯第一条指令为ARM指令，切换到Thumb状态后开始执行Thumb-2指令。
2) 此处避开链接器功能，不使用链接文件，编写的流水灯代码应该是位置无关的，即代码加载进任意RAM位置都是可以正确执行的。
; IO port for controling LEDs
GPM0_4_BASE EQU 0xE0200340 ; GPM04 Base Address
GPD0_BASE EQU 0xE02000A0
GPCON_OFS EQU 0x00 ; Control Register Offset
GPDAT_OFS EQU 0x04 ; Data Register Offset
LED1 EQU 4 ; GPM04_4->LED1
LED2 EQU 5 ; GPM04_5->LED2
LED3 EQU 6 ; GPM04_6->LED3
LED4 EQU 7 ; GPM04_7->LED4
BEEP EQU 0 ; GPD0_0->BEEP
SEC
tiON RESET:CODE:NOROOT(2)
PUBLIC __iar_program_start
ARM
__iar_program_start
BL Reset
THUMB
Reset
BL Gpio_Init
Loop
LDR R0, =GPM0_4_BASE
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
BIC R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; LED1 on
LDR R7, =1000 ; delay 1s
BL Delay_ms
ORR R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
BIC R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; LED2 on
LDR R7, =1000 ; delay 1s
BL Delay_ms
ORR R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
BIC R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; LED3 on
LDR R7, =1000 ; delay 1s
BL Delay_ms
ORR R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
BIC R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; LED4 on
LDR R7, =1000 ; delay 1s
BL Delay_ms
ORR R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
LDR R0, =GPD0_BASE
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
ORR R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; BEEP on
LDR R7, =1000 ; delay 1s
BL Delay_ms
BIC R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
B Loop
Gpio_Init
LDR R0, =GPM0_4_BASE
LDR R1, [R0, #GPCON_OFS]
BIC R1, R1, #(0xf<<(LED1<<2))
ORR R1, R1, #(0x1<<(LED1<<2)) ; GPM04_4 output led1
STR R1, [R0, #GPCON_OFS]
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
ORR R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; LED1 off
LDR R1, [R0, #GPCON_OFS]
BIC R1, R1, #(0xf<<(LED2<<2))
ORR R1, R1, #(0x1<<(LED2<<2)) ; GPM04_5 output led2
STR R1, [R0, #GPCON_OFS]
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
ORR R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; LED2 off
LDR R1, [R0, #GPCON_OFS]
BIC R1, R1, #(0xf<<(LED3<<2))
ORR R1, R1, #(0x1<<(LED3<<2)) ; GPM04_6 output led3
STR R1, [R0, #GPCON_OFS]
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
ORR R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; LED3 off
LDR R1, [R0, #GPCON_OFS]
BIC R1, R1, #(0xf<<(LED4<<2))
ORR R1, R1, #(0x1<<(LED4<<2)) ; GPM04_7 output led4
STR R1, [R0, #GPCON_OFS]
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
ORR R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; LED4 off
LDR R0, =GPD0_BASE
LDR R1, [R0, #GPCON_OFS]
BIC R1, R1, #(0xf<<(BEEP<<2))
ORR R1, R1, #(0x1<<(BEEP<<2)) ; GPD0_0 output
STR R1, [R0, #GPCON_OFS]
LDR R1, [R0, #GPDAT_OFS]
BIC R1, R1, #(1<
STR R1, [R0, #GPDAT_OFS] ; BEEP off
BX LR
; ARM CLOCK 400M
Delay_ms
LDR R6, =13333 ; 延时1ms
Delay2
SUBS R6, R6, #1 ; 单发射 cycle 1
; 跳转清流水线,以下指令均只用作填充流水线
MOV R0, R0 ; 双发射 cycle 1
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 2
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 3
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 4
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 5
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 6
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 7
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 8
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 9
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 10
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 11
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 12
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 13
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 14
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 15
MOV R0, R0 ; 单发射 cycle 16
MOV R6, R6 ; 单发射 cycle 17
BNE Delay2 ; 跳转会清流水线，13个ARM CLOCK,cycle 30
SUBS R7, R7, #1
BNE Delay_ms
BX LR
END
4. C实现
C代码中需要注意两点:
1) 需要汇编指令跳转到c函数，链接器默认链接.intvec段做为代码的开头，需一条跳转汇编指令链接到代码起启位置，用来跳转到c入口。
SECTION .intvec:CODE:NOROOT(2)
PUBLIC __iar_program_start
ARM
__iar_program_start
EXTERN main
BLX main
END
2）c文件中不要尝试使用c库以及使用全局变量、静态变量等，因为此处避开链接器功能，不使用链接文件，编写的流水灯代码c运行环境都是BL0初始化的，是位置无关的，只有栈是有效的。
#include "stdint.h"
// IO port for controling LEDs
#define GPM04_BASE 0xE0200340 // GPM04 Base Address
#define GPD0_BASE 0xE02000A0
#define GPCON_OFS 0x00 // Control Register Offset
#define GPDAT_OFS 0x04 // Data Register Offset
#define MP0_4CON_REG (*(volatile uint32_t *)(GPM04_BASE+GPCON_OFS))
#define MP0_4DAT_REG (*(volatile uint32_t *)(GPM04_BASE+GPDAT_OFS))
#define GPD0CON_REG (*(volatile uint32_t *)(GPD0_BASE+GPCON_OFS))
#define GPD0DAT_REG (*(volatile uint32_t *)(GPD0_BASE+GPDAT_OFS))
#define LED1 4 // GPM0_4->LED1
#define LED2 5 // GPM0_5->LED2
#define LED3 6 // GPM0_6->LED3
#define LED4 7 // GPM0_7->LED4
#define BEEP 0 // GPD0_0->BEEP
void Delay_ms(uint32_t Count)
{
//延时1ms,共延时nCountms
// Arm clock为400M,循环体每次30个Arm clock
int32_t temp1 = 13333;
int32_t temp2 = 0;
asm volatile (
"Delay_ms_0:n"
"mov %0, %2n"
"Delay_ms_1:n"
"subs %0, %0, #1n" // 单发射 cycle 1
// 跳转清流水线,以下指令均只用作填充流水线
"mov %1, %1n" // 双发射 cycle 1
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 2
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 3
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 4
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 5
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 6
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 7
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 8
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 9
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 10
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 11
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 12
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 13
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 14
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 15
"mov %1, %1n" // 单发射 cycle 16
"mov %0, %0n" // 单发射 cycle 17
"bne.w Delay_ms_1n" // 跳转会清流水线,13级流水线,cycle 30
"subs %1, %1, #1n" // 调用者确保nCount不为0
"bne.w Delay_ms_0n"
: "+r"(temp2), "+r"(Count): "r"(temp1): "cc"
);
}
void Gpio_LED1(uint8_t On)
{
if (On) {
MP0_4DAT_REG &= ~(1<
} else {
MP0_4DAT_REG |= (1<
}
}
void Gpio_LED2(uint8_t On)
{
if (On) {
MP0_4DAT_REG &= ~(1<
} else {
MP0_4DAT_REG |= (1<
}
}
void Gpio_LED3(uint8_t On)
{
if (On) {
MP0_4DAT_REG &= ~(1<
} else {
MP0_4DAT_REG |= (1<
}
}
void Gpio_LED4(uint8_t On)
{
if (On) {
MP0_4DAT_REG &= ~(1<
} else {
MP0_4DAT_REG |= (1<
}
}
void Gpio_Beep(uint8_t On)
{
if (On) {
GPD0DAT_REG |= (1<
} else {
GPD0DAT_REG &= ~(1<
}
}
void Gpio_Init(void)
{
// GPM04_4 output led1, off
MP0_4CON_REG = (MP0_4CON_REG & (~(0xf<<(LED1<<2)))) | (0x1<<(LED1<<2));
MP0_4DAT_REG |= (1<
// GPM04_5 output led2, off
MP0_4CON_REG = (MP0_4CON_REG & (~(0xf<<(LED2<<2)))) | (0x1<<(LED2<<2));
MP0_4DAT_REG |= (1<
// GPM04_6 output led3, off
MP0_4CON_REG = (MP0_4CON_REG & (~(0xf<<(LED3<<2)))) | (0x1<<(LED3<<2));
MP0_4DAT_REG |= (1<
// GPM04_7 output led4, off
MP0_4CON_REG = (MP0_4CON_REG & (~(0xf<<(LED4<<2)))) | (0x1<<(LED4<<2));
MP0_4DAT_REG |= (1<
// Beep output, off
GPD0CON_REG = (GPD0CON_REG & (~(0xf<<(BEEP<<2)))) | (0x1<<(BEEP<<2));
GPD0DAT_REG &= ~(1<
}
void main(void)
{
Gpio_Init();
while (1) {
Gpio_LED1(1);
Delay_ms(1000);
Gpio_LED1(0);
Gpio_LED2(1);
Delay_ms(1000);
Gpio_LED2(0);
Gpio_LED3(1);
Delay_ms(1000);
Gpio_LED3(0);
Gpio_LED4(1);
Gpio_Beep(1);
Delay_ms(1000);
Gpio_LED4(0);
Gpio_Beep(0);
}
}
5.流水灯运行
编译器直接编译生成的二进制代码是不满足相应的启动格式的，需要通过SdBoot.exe生成相应的sd/mmc烧录代码，再通过SdBoot.exe把带”_1”后缀的sd/mmc烧录文件烧录进sd/mmc卡，设置目标板从sd/mmc卡启动，即可运行sd/mmc卡里面的流水灯程序。
6.附录
附件为基于OK210、IAR下S5PV210汇编流水灯工程例程以及C流水灯工程例程，SdBoot相关工具。
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