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 0. 前言

一般我們購買一個開發板，廠家都會給出對應的電路圖文件，我們可以通過搜索對應名稱來查找到對應的外設。對于驅動工程師來說，我們只需要知道外設與SOC交互的一些數據線和信號線即可。

用主控芯片控制這些外設的一般步驟：

1. 看電路原理圖，弄明白主控芯片和外設是怎么連接的，對于驅動工程師來說，主要是看外設的一些clk、數據引腳、控制引腳是如何連接的;
2. 外設一般都會連接到SOC的1個或者多個控制器上，比如i2c、spi、gpio等，有的是數據線有的是信號線，中斷線等;
3. 根據電路連接和需求對主控芯片進行設置，往往對外設的設置都是通過寄存器操作實現;
4. 書寫相應代碼，實現功能，不同類型的外設，代碼結構也不盡相同，比如按鍵，我們既可以通過輪詢方式讀取按鍵信息，也可以通過中斷方式來讀取。

下面我們就以華清遠見的fs4412開發板為例來看如何編寫led的裸機程序。SOC exynos 4412 datahseet 下載地址：

https://download.csdn.net/download/daocaokafei/12533438

一、LED燈電路圖

首先看下led電路圖：

 

LED電路圖

1. 該板子有4個LED，是發光二極管，有電流是為藍色;
2. led都接了上拉電阻;
3. 三極管的基極接了SOC的某個GPIO引腳;
4. 比如GPX1_0,當該引腳為高電平是，三極管pn結導通，于是LED3兩側就有了電勢差，LED3被點亮，如果該引腳為低電平，pn結截止，LED3兩側就沒有了電勢差，LED3熄滅。

下面是CPU核訪問GPIO控制器的數據通路：

AHB：高速總線

APB Bridge:APB總線橋

APB：外設總線，低速總線

GPIO掛載在APB總線上

GPIO 與 SOC

由上圖可知，cpu要訪問GPIO的寄存器需要經過的路徑。

二、GPIO

GPIO(General Purpose I/O Ports)意思為通用輸入/輸出端口，通俗地說，就是一些引腳，可以通過它們輸出高低電平或者通過它們讀入引腳的狀態-是高電平或是低電平。

用戶可以通過GPIO口和硬件進行數據交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態信號(如中斷信號)等。GPIO口的使用非常廣泛。

1. GPIO的優點

• 低功耗：GPIO具有更低的功率損耗(大約1µA，µC的工作電流則為100µA)。
• 集成I²C從機接口：GPIO內置I²C從機接口，即使在待機模式下也能夠全速工作。
• 小封裝：GPIO器件提供最小的封裝尺寸—3mm x 3mm QFN!
• 低成本：您不用為沒有使用的功能買單!
• 快速上市：不需要編寫額外的代碼、文檔，不需要任何維護工作!
• 靈活的燈光控制：內置多路高分辨率的PWM輸出。
• 可預先確定響應時間：縮短或確定外部事件與中斷之間的響應時間。
• 更好的燈光效果：匹配的電流輸出確保均勻的顯示亮度。
• 布線簡單：僅需使用2條I²C總線或3條SPI總線。

2. exynos4412 GPIO特性

1. 172 個外部中斷
2. 32個外部可喚醒中斷
3. 252個多功能 input/output ports
4. 在休眠模式下也可以控制GPIO引腳，但不包括 GPX0, GPX1, GPX2, and GPX3

3. 6 General Purpose Input/Output (GPIO) Control

Exynos 4412 SCP 包括304個多功能 input/output端口引腳和164 存儲端口引腳. 總共 37 個端口分組和兩個存儲端口分組.。

下圖為GPIO模塊圖：

GPIO Block Diagram

三、如何操作GPIO?

主要通過寄存器來操作GPIO引腳。

GPxCON用于選擇引腳功能，GPxDAT用于讀/寫引腳數據;另外，GPxUP用于確定是否使用內部上拉電阻。其中x為A、B…..H、J等。

1. GPxCON寄存器

從寄存器的名字可以看出，它用于配置(Configure)-選擇引腳功能。

LED3是連接到GPX1_0,該引腳說明如下：

GPX1CON

由上圖所示，

GPX1CON地址為0x1100C20;

LED3是輸出設備，所以需要將GPX1CON[3:0]設置為0x1，但是能修改其他的bite。

2. GPxDAT寄存器

GPxDAT用于讀/寫引腳;當引腳被設為輸入時，讀此寄存器可知相應引腳的電平狀態是高還是低;當引腳被設為輸出時，寫此寄存器相應位可以令此引腳輸出高電平或是低電平。

GPX1DAT

1. GPX1DAT的地址是0x1100C24
2. LED3對應的輸出引腳是GPX1DAT[0]，點燈只需要將該引腳設置為1即可，滅燈將bite0置0。

3. GPxUP寄存器

GPxUP：某位為1時，相應引腳無內部上拉電阻;為0時，相應引腳使用內部上拉電阻。

上拉電阻的作用在于：當GPIO引腳處于第三態(即不是輸出高電平，也不是輸出低電平，而是呈高阻態，即相當于沒接芯片)時，它的電平狀態由上拉電阻、下拉電阻確定。

本例不用設置。

四、驅動編寫

下面我們分別用匯編和C語言來給LED編寫驅動程序。

1. 匯編代碼

大家如果掌握了我之前講解的匯編指令的知識點，那么這個代碼很容易就能看明白：

.globl _start 
.arm 
_start: 
 LDR R0,=0x11000C20 @將配置寄存器GPX1CON的地址寫入到R0 
 LDR R1,[R0]  @讀取寄存器GPX1CON的值保存到R1 
 BIC R1,R1,#0x0000000f @將R1的3:0位清0，目的是不覆蓋到其他bit的值 
 ORR R1,R1,#0x00000001 @將R1的3:0位置1 
 STR R1,[R0]  @將R1的值寫回寄存器GPX1CON 
loop: 
 LDR R0,=0x11000C24 @將data寄存器GPX1DAT的地址寫入到R0 
 LDR R1,[R0] @讀取寄存器GPX1DAT的值保存到R1 
 ORR R1,R1,#0x01 @將R1的值bite0 設置為1，即拉高，點燈 
 STR R1,[R0]  @將R1的值寫回寄存器GPX1DAT 
 BL delay  @調用延時函數 
 LDR R1,[R0]  
 BIC R1,R1,#0x01 @將R1的值bite0 設置為0，即拉低，滅燈 
 STR R1,[R0] 
 BL delay 
 B loop 
delay:     @delay延時函數 
 LDR R2,=0xfffffff 
loop1: 
 SUB R2,R2,#0x1 
 CMP R2,#0x0 
 BNE loop1 
 MOV PC,LR @返回 
.end  

Makefile

TARGET=gcd 
all: 
 arm-none-linux-gnueabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGET).o $(TARGET).s 
 arm-none-linux-gnueabi-ld   $(TARGET).o -Ttext 0x40008000 -N -o $(TARGET).elf 
 arm-none-linux-gnueabi-objcopy -O binary -S $(TARGET).elf $(TARGET).bin 
clean: 
 rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin 

程序功能很簡單，就是讓LED3呈現一閃一閃的效果。

執行make，最終生成的gcd.bin文件。

2. c語言實現

如果要進入C語言執行環境，那么就必須為設置棧空間，函數調用參數和返回值會壓棧。

start.s

.text 
.global _start 
_start: 
  ldr  sp,=0x70000000         /*get stack top pointer*/ 
  b  main 

main.c

/* GPX1 */ 
typedef struct { 
    unsigned int CON; 
    unsigned int DAT; 
    unsigned int PUD; 
    unsigned int DRV; 
}gpx1; 
#define GPX1 (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 ) 
 
void led_init(void) 
{ 
 GPX1.CON = GPX1.CON & (~(0x0000000f)) | 0x00000001; 
} 
void led_on(int n) 
{  
 GPX1.DAT = GPX1.DAT|0x01; 
} 
void led_off() 
{  
 GPX1.DAT = GPX1.DAT&(~(0x01));   
} 
void  delay_ms(unsigned int num) 
{   int i,j; 
     for(i=num; i>0;i--) 
      for(j=1000;j>0;j--) 
         ; 
 } 
int main(void) 
{ 
 led_init (); 
 while (1) { 
  led_on(); 
  delay_ms(500); 
  led_off(); 
  delay_ms(500); 
 } 
 while(1); 
    return 0; 
}    

map.lds

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm") 
OUTPUT_ARCH(arm) 
ENTRY(_start) 
SECTIONS 
{ 
 . = 0x40008000;     ;從該地址開始 
 . = ALIGN(4); 
 .text      :       ;指定代碼段 
 { 
  gcd.o(.text)  ;代碼的第一個部分，絕對不能錯 
  *(.text) 
 } 
 . = ALIGN(4); 
    .rodata :             ;只讀數據段 
 { *(.rodata) } 
    . = ALIGN(4); 
    .data :              ;讀寫數據段 
 { *(.data) } 
    . = ALIGN(4); 
    .bss :               
     { *(.bss) } 
} 

Makefile

TARGET=gcd 
TARGETC=main 
all: 
 arm-none-eabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGETC).o  $(TARGETC).c 
 arm-none-eabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGET).o $(TARGET).s 
 arm-none-eabi-gcc -O0 -g -S -o $(TARGETC).s  $(TARGETC).c 
 arm-none-eabi-ld $(TARGETC).o $(TARGET).o -Tmap.lds -o  $(TARGET).elf 
 arm-none-eabi-objcopy -O binary -S $(TARGET).elf $(TARGET).bin  
clean: 
 rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin 

執行make命令，最終生成的gcd.bin文件。

這段代碼中，讀者可能不能理解的是下面的定義：

typedef struct { 
    unsigned int CON; 
    unsigned int DAT; 
    unsigned int PUD; 
    unsigned int DRV; 
}gpx1; 
#define GPX1 (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 ) 

 

GPX1宏定義

 由上圖所示：

1. (volatile gpx1 *)0x11000C20 ) ：將常量0x11000C20 強轉成struct gpx1類型指針
2. (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 )：查找指針對應的內存驅動，即對應整個結構體變量，結構體變量地址為0x11000C20
3. #define GPX1 (* (volatile gpx1 *)0x11000C20 ) ：GPX1等價于地址為0x11000C20的結構體變量

這樣我們要想操作GPX1的寄存器，就可以像結構體變量一樣操作即可。

3. 測試

采用UBOOT自帶的命令loadb,通過串口以baud速率下載binary(.bin)至SDRAM中某一地址中，然后用go 命令從某地址處開始執行程序。

該命令使用了kermit protocol，嵌入式系統通常使用該協議與pc傳送文件。

操作步驟如下：

1. 串口連接開發板，開發板啟動后在讀秒階段，立即按下回車，進入uboot命令界面
2. 執行loadb 40008000 【該地址與Makefile 和map.lds文件中的地址保持一致】
3. 選擇菜單transfer->send Kermit,
4. 然后選擇我們編譯好的gcd.bin文件,
5. 點擊OK，出現"Staring kermit transfer."字樣，
6. 執行 go 40008000，運行程序

 

運行裸機程序

執行結果：

led

可以看到LED閃爍的現象。

5. 注意

該種測試方法需要bootloader選用uboot，并且需要串口工具支持Kermit協議，一口君使用的是SecureCRT7.3.3版本【其他低一些的版本可能不支持該協議】，該軟件的下載和安裝方法【安裝方法有點繁瑣】可以公眾號后臺回復【SecureCRT】。

SecureCRT版本