ARM体系结构裸板开发、Linux内核驱动开发学习框架笔记

ARM体系结构裸板开发、Linux内核驱动开发学习框架笔记，包括：1. ARM体系结构及裸板开发、2.系统移植初步、3.Linux内核及驱动开发、Socket常用函数介绍。

ARM体系结构裸板开发、Linux内核驱动开发学习框架笔记

• 1.ARM体系结构及裸板开发
  • Lesson1_ARM学习准备工作
    • 课程目标： 熟悉Tiny210 开发板结构 ARM 9 - 2410 , ARM11 - 6410 , CortexA8-Tiny210 , Cortex A15 建立板子和PC COM连接 学会脱机刷系统 重点难点： 考核目标： 课后练习： 把课程中的演练都做一遍
  • Lesson2_ARM世界概要
    • 课程目标： 对ARM世界芯片做一个了解，以及对ARM体系厂商做一个了解 重点难点： 考核目标： 课后练习：
  • Lesson3_ARM Cortex-A系列体系结构
  • Lessson4_ARM硬件基础
    • 课程目标： 了解我们常用硬件接口，并且编程控制 重点难点： 对各个接口实现原理的掌握 考核目标： 各个接口的作用，实现原理及特性 课后练习： 完成每个接口课堂上的demo
  • Lesson5_ARM硬件接口
    • 课程目标： 了解ARM，特别是CortexA8 启动过程 开发各个接口的裸板程序 ，熟悉各常用总线，协议原理 重点难点： 对片上系统启动的理解 对各个总线原理的掌握 考核目标： 各个接口的作用，实现原理及特性 课后练习： 完成每个接口课堂上的demo
    • ARM启动顺序
      •   iROM（也叫BL0）的作用： 初始化系统时钟，设置看门狗，初始化栈和堆 加载BL1 BL1的作用： 初始化RAM ， 关闭Cache ， 设置栈 加载BL2 BL2的作用： 初始化其它外设 加载OS内核 按照三星《S5PV210_UM_REV1.1》手册上说明的启动流程为：S5PV210上电将从IROM（interal ROM）处执行固化的启动代码，它对时钟等初始化、对启动设备进行判断，并从启动设备中复制BL1（最大16KB）到IRAM（0xd002_0000处，其中0xd002_0010之前的16个字节储存的BL1的校验信息和BL1尺寸）中，并对BL1进行校验，校验OK转入BL1进行执行； 首先解释一下我认为的BL0、BL1、BL2： (1)BL0：是指S5PV210的IROM中固化的启动代码； (2)BL1：是指在IRAM自动从外扩存储器（nand /sd/usb）中拷贝的uboot.bin二进制文件的头最大16K代码； (3)BL2：是指在代码重定向后在内存中执行的的UBOOT的完整代码； (4)三者之间关系是：（Interal ROM固话代码）BL0将BL1(bootloader的前16kB)加载到iRAM；BL1然后在iRAM中运行将BL2(其实整个bootloader)加载到SDRAM（DDR）；BL2加载内核；BL就是bootloader的简写；
      • 说点前面的话
        • 关于开发板的线
        • 关于程序链接地址和程序地址
      • 做一个GPIO的例子
      • 要研究裸板开发一定要知道启动顺序，要知道启动顺序一定要了解存储机制
        •  PV210 Block Diagram  address map
      • Reset状态
        • 
      • 启动过程详细示例
        •   iROM中执行： Disable看门狗 初始化Cache控制器 初始化栈和堆区域 检查安全key 设置clock 检查OM pin码，加载BL1到iRam 如果是安全模式，进行完整校验 如果校验通过，跳到BL1的iRAM地址(0xD0020010) SRAM启动过程如下所示 从启动设备加载BL2 到 iRAM 如果安全启动，执行完整性校验 如果校验成功 ，跳到iRAM中的 BL2 如果校验失败，停止BL1 加载 OS kernel到DRAM 跳转到DRAM(0x20000000 or 0x40000000) DRAM启动顺序 如果是从SLEEP , DEEP_STOP, DEEP_IDLE唤醒，则恢复上一个状态 跳转到OS Kernel
      • 请你阐述清楚iROM，iRAM(SRAM)，DRAM,Nand关系
      • 说说如何用三星芯片手册
    • GPIO
      • 什么是GPIO？
      • 我们来看看芯片手册
        • FAQ:GPIO寄存器在哪儿？
      • 从零开始GPIO实验
        • 实验一：从零开始写裸板程序，点亮LED灯
          • 实验要求： 用汇编从零开始写一个led点亮程序 ， 并且从零写makefile文件 ，烧写来实验
          • 顺便再次熟悉一下我们的arm汇编以及gcc命令
        • 实验二：用C语言来完成实验一的内容
        • 实验三：通过按键Key来控制LED等的点亮
        • 实验四：优化程序，优化Makefile，控制看门狗和Cache缓存
    • 接口编程的准备工作
      • ARM接口编程的前言
        • 学习方式
        • 学习目的
        • 学习安排
      • 确定外设资源
      • 了解时钟分布
    • UART
      • 课程目标： 掌握通信的基本模型和分类 了解UART通信的基本协议 掌握S5PV210下UART收发数据程序的编写过程 重点难点： UART协议的了解 UART控制器的编程 如何读芯片手册进行外围接口的开发（顺序执行） 考核目标： UART接口的作用，实现原理及编程方式 课后练习： 完成每个接口课堂上的demo
      • 通讯的基本模型
      • UART协议介绍
      • 实验一、
    • 中断控制器
    • I2C&SPI
    • PWM/WatchDog/RTC
    • DMA
    • Flash ROM
    • LCD
    • ADC
  • Project1_
    • Subtopic
• 2.系统移植初步
  • Lesson1_系统移植概述
  • Lesson2_Bootloader
    • S5PV210启动过程
      • 
      • iROM固化的BL0上电初始化
        • 硬件初始化
          • 1、关Watchdog 2、Cache初始化 3、栈初始化 4、设置时钟
        • 根据片选设置引导BL1
      • 外存上的bootloader
        • BL1第一阶段代码
        • BL2第二阶段代码
    • BootLoader概述
      • BootLoader是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。负责初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为加载调用操作系统内核准备好正确的环境。 嵌入式平台下，BootLoader是严重地依赖于硬件而实现的。
      • 主流的Bootloader
        • Bootloader 描述 x86 ARM PowerPC LILO Linux磁盘引导程序 是 否 否 GRUB GNU的IO替代程序 是 否 否 U-boot 通用引导程序 是 是 是 RedBoot 基于Cs的引导程序 是 是 是 vivi 专为arm设计 否 是 否
      • u-boot简介
        • U-Boot，全称 Universal Boot Loader，是遵循GPL条款的开放源码项目。从FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来。其源码目录、编译形式与Linux内核很相似，事实上，不少U-Boot源码就是相应的Linux内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中能体现这一点。 U-boot的特点： 1、免费开源 2、跨平台移植性好 A、支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS B、支持多个处理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale 3、可靠性和稳定性较高 4、功能强大 定制灵活、功能全面，适合U-Boot调试、操作系统不同引导要求、产品发布等 5、易于移植 A、丰富的设备驱动源码，如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等 B、较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持
    • u-boot引导过程分析
      • 硬件初始化
        • CPU自身初始化
          • 工作模式设置（SVC）
          • 关MMU
          • Cache初始化
          • 关中断
          • 时钟初始化
        • 重定位（自搬移）
        • 设置堆栈，初始化堆栈指针
        • BSS清零
        • 跳转到第二阶段（C入口）
      • 第二阶段代码
        • U-boot私有数据空间分配及初始化
        • 回调一组初始化函数
        • 外存初始化
          • nandflash
          • norflash
          • OneNand
          • SD卡
          • U盘
        • LCD初始化
        • VFD初始化
        • 串口初始化（用作控制台的串口除外）
        • 环境变量重定位（外存搬到ram）
        • 从环境变量中读IP及MAC
        • 控制台初始化
        • 打开中断
        • 板子后期初始化
        • 网络初始化（以太网）
        • 进入主循环
      • 引导加载内核
        • 传递内核的参数写入内存偏移0x100的位置
        • 屏蔽所有具有DMA功能的设备，以便内存不会被伪造的网络包或磁盘数据误导
        • CPU寄存器设置
          • r1是必须要设置的，r0一般都是0，r2可以不用（目前内核一般也不用）
          • r0：0
          • r1：机器码
          • r2：标记列表在系统内存中的物理地址
        • MMU必须关闭、指令cache可关闭或打开、数据cache必须关闭
        • 跳转到内核起始地址
    • U-boot目录结构介绍
      • 老版本
        • u-boot-2010.03及以前版本 ├── api 存放uboot提供的接口函数 ├── board 根据不同开发板定制的代码，代码也不少 ├── common 通用的代码，涵盖各个方面，已命令行处理为主 ├── cpu 与体系结构相关的代码，uboot的重头戏 ├── disk 磁盘分区相关代码 ├── doc 文档，一堆README开头的文件 ├── drivers 驱动，很丰富，每种类型的设备驱动占用一个子目录 ├── examples 示例程序 ├── fs 文件系统，支持嵌入式开发板常见的文件系统 ├── include 头文件，已通用的头文件为主 ├── lib_【arch】 与体系结构相关的通用库文件(10个文件，支持10种处理器架构) ├── nand_spl NAND存储器相关代码 ├── net 网络相关代码，小型的协议栈 ├── onenand_ipl ├── post 加电自检程序 └── tools 辅助程序，用于编译和检查uboot目标文件
      • 新版本
        • u-boot-2010.06及以后版本 ├── api 存放uboot提供的接口函数 ├── arch 与体系结构相关的代码，uboot的重头戏 ├── board 根据不同开发板定制的代码，代码也不少 ├── common 通用的代码，涵盖各个方面，已命令行处理为主 ├── disk 磁盘分区相关代码 ├── doc 文档，一堆README开头的文件 ├── drivers 驱动，很丰富，每种类型的设备驱动占用一个子目录 ├── examples 示例程序 ├── fs 文件系统，支持嵌入式开发板常见的文件系统 ├── include 头文件，已通用的头文件为主 ├── lib 通用库文件 ├── nand_spl NAND存储器相关代码 ├── net 网络相关代码，小型的协议栈 ├── onenand_ipl ├── post 加电自检程序 └── tools 辅助程序，用于编译和检查uboot目标文件 ====================================== |--arch\ |--arm\ |--cpu\ 子目录对应一种处理器的不同产品型号或者系列; |--arm720t\ |--arm920t\ |--a320\ |--at91\ |... |--s3c24x0\ |--interrupts.c |--speed.c |--timer.c |--usb.c |--usb_ohci.c |--usb_ohci.h |--Makefile |--cpu.c |--interrupts.c |--start.S |--u-boot.lds |--Makefile |--config.mk |--include\ 子目录是处理器用到的头文件； |--asm\ |--arch-a320\ |... |--arch_s3c24x0\ |--memory.h |--s3c2400.h |--s3c2410.h |--s3c24x0_cpu.h |--s3c24x0.h |... |--proc-armv\（公用） |--atomic.h |--bitops.h |--byteorder.h |--cache.h |--... （等共24个.h公用头文件） |--lib\ 目录对应用到处理器公用的代码； |--board.c |--config.mk |--... （等共16个文件） |--board\ |--ppmc7xx\ |... |--samsung\ |--goni\ |--smdk2400\ |--smdk2410\ |--smdk2410.c |--flash.c |--lowlevel_init.S |--config.mk |--Makefile |--nand_read.c |--nand_read_save.c |... drivers/i2c/s3c24x0_i2c.c /mtd/nand/nand_base.c /mtd/nand/nand_util.c /mtd/nand/s3c2410_nand.c /net/dm9000x.c /video/cfb_console_2.c /video/cfb_console.c /video/Makefile /video/s3c2410_fb.c /video/videomodes.c /video/videomodes.h /configs/fl2440.h /linux/mtd/mtd.h /serial.h common/cmd_nand.c /serial.c board.cfg Makefile
    • U-boot控制台命令及环境变量
      • 1、查看环境变量 # printenv (可以简写为pri) bootcmd：自启动变量 bootargs：传递给内核的启动参数 ipaddr：本地IP serverip：server IP netmask：子网掩码 bootdelay：启动延时 2、设置环境变量 # setenv bootcmd tftp 20008000 zImage\;go 20008000 3、保存环境变量 # saveenv 4、外存操作（以Nand为例） A、查看帮助信息 # help nand B、擦除 nand erase 偏移地址 长度 # nand erase 100000 300000 C、读写 nand read/write 内存地址 外存偏移地址 长度 #nand read 20008000 100000 300000 #nand write 20008000 100000 300000 5、tftp tftp 内存偏移地址 文件名称 #tftp 20008000 zImage 6、运行内核 go 内存偏移地址 # go 20008000 7、内核启动参数 A、示例1 noinitrd root=/dev/mtdblock2 rw init=/linuxrc console=ttySAC0,115200 rootfstype=yaffs2 noinitrd 不使用ramdisk root指定根文件系统在哪个设备 console指定控制台 rootfstype指定文件系统类型 B、示例2 noinitrd console=ttyS0 115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.3:/home/rootfs ip=192.168.1.2:192.168.1.3:192.168.1.1:255.255.255.0:::eth0:off nfsroot如果root指定的是nfs的话，那么需要指定nfs server共享的目录，本地网络设置 ip=本地IP:serverIP:子网掩码：主机名：域名（可以不写）：
  • Lesson3_BootLoader移植
    • u-boot移植步骤
      • 选板子
        • 修改Makefile
          • 随着版本的变化修改方式不一样，但是修改的内容都一致 1、指定交叉编工具链 2、指定平台 ========================================= 先约定如下： Target（目标）：tiny210 ARCH（架构）: arm CPU（芯片）：armv7 Board name（板子名称）：tiny210 Vendo（生产厂家）：samsung SoC（CPU类型）： s5pc1xx Options（可选项）： ========================================= 以u-boot-xxx为例说明具体步骤： 1、修改顶层目录下的boards.cfg文件 添加如下内容： tiny210 arm armv7 tiny210 samsungs5pc1xx 2、指定交叉编译工具链 ifeq (arm,$(ARCH)) CROSS_COMPILE ?= arm-linux- endif
        • 配置
          • 在顶层目录下执行 # make tiny210_config Makeile $(BFIN_BOARDS:%=%_config) : unconfig @$(MKCONFIG) $(@:_config=) blackfin blackfin $(@:_config=) ---> mkconfig 生成config.mk、config.h
      • 定制或修改板文件
        • 按照boards.cfg指定的内容 准备board/samsung/tiny210 一般是复制参考板目录修改一下文件名及内容 board/samsung/smdkv100 复制一份，改目录名为board/samsung/tiny210 目录下的相应文件一般也最好改成对应的文件名，Makefile对应修改 smdkv100.c--->tiny210.c 修改Makefile COBJS-y := smdkv100.o --->COBJS-y := tiny210.o 添加修改第一阶段代码 一般添加外存读写代码（譬如nandflash添加为nandflash.c） 修改Makefile COBJS-y := nandflash.o 修改初始化代码lowlevel_init.S 修改链接脚本arch\arm\cpu\armv7\u-boot.lds .text : { arch/arm/cpu/armv7/start.o (.text) *(.text) } 修改为： .text : { arch/arm/cpu/armv7/start.o (.text) board/samsung/fsc100/lowlevel_init.o board/samsung/fsc100/nandflash.o *(.text) } 同理板文件目录下添加了什么，板文件目录下的Makefile得改，链接脚本也得添加。
      • 选配或是添加模块
        • 复制include\configs\smdkc100.h ---> include\configs\tiny100.h 这里面除了参数（CPU时钟、内存基地址、环境变量等），还有模块开关。 譬如要nand命令： 添加宏定义 #define CONFIG_CMD_NAND 则相应驱动代码及逻辑代码得有。 譬如网卡，逻辑代码就是选择（宏开关），但是驱动不一定有或是要修改，一定通过板文件或是C入口初始化代码来选。 那么这些宏开关从哪里来，就是相应目录下的Makefile中找，如果是自己添加的驱动或是逻辑代码，也应该在对应Makefile中设置这样的宏开关。
  • Lesson4_linux内核简述
    • Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统，使用C编写，符合POSIX标准，采用GNU通用许可证授权。
    • linux内核特点
      • 免费开源
        • 获得源码的官网：http://www.kernel.org 目前有两种授权GPL、Dual BSD/GPL
      • 宏内核架构
        • 
      • 抢占式调度
        • 2.6以后版本的内核开始支持内核抢占，这样提高了系统的实时性
      • 多任务多用户
        • 主流操作都会提供虚拟机制，虚拟处理器就允许系统同时存在多个任务。linux还支持多用户。
      • 网络功能强大
        • Linux支持目前主流的网络通讯协议
      • 安全稳定可靠
        • Linux提供了许多安全机制，对读、写进行权限控制、审计跟踪、核心授权等。Linux也广泛应用于服务器，这对稳定性也有比较高的要求。
      • 支持多平台，易于移植
        • Linux支持多种硬件平台：arm、x86、PowerPC等处理器。
    • 内核功能划分
      • 
      • 进程管理
        • 进程创建、销毁、输入/输出、进程间通讯、调度
      • 内存管理
        • 为每一个进程在可用的有限物理内存上建立一个虚拟地址空间
      • 文件系统
        • linux继承了unix很重要的一个概念：一切皆是文件。 系统有7类文件（广义的概念）： 普通文件、目录、符号文件、管道、字符设备、块设备、套接字
      • 设备控制
        • 操作系统最核心的任务就是有效的管理设备，几乎所有的系统操作都会映射到一个实际设备上。有三类基本框架：字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动。
      • 网络功能
        • linux内核提供了很好的网络管理功能
    • 内核源码
      • 开发特点
        • 不需要第三方库支持
          • 内核所有功能均内核代码来实现
        • 使用GNU C
          • 内核开发依赖GNU工具，需要GNU C扩展特性
        • 没有内存保护机制
          • 内核代码的内存访问权限是无法控制的
        • 杜绝浮点数
          • 内核对浮点运算除了性能的问题外，浮点运算支持不够好
        • 栈区固定
          • 内核栈是固定的，随着版本变化会有所变化。
        • 必须关注并发及同步
          • 内核是进程共用的代码，竞态是很容易产生的
        • 注意可移植性
          • Linux是可移植的系统，大小端、边界对齐、不假定字长、不假定页面长度等都需要注意
      • 目录结构
        • arch
          • 体系平台相关的代码
        • block
          • 块设备IO调度相关代码
        • crypto
          • 常用加密和散列算法代码
        • Documentation
          • 内核文档
        • drivers
          • 设备驱动代码
        • firmware
          • 第三方固件代码
        • fs
          • 文件系统支持代码
        • include
          • 通用头文件，和体系统平台相关的头文件在相应arch目录下的相关架构目录下 如arm arch/arm/include arch/arm/xxx/include
        • init
          • 系统初始化代码，系统引导代码在arch目录相应体系平台目录下 如arm arch/arm/boot
        • ipc
          • 进程间通讯代码
        • kernel
          • 系统核心代码（如进程调度），系统核心库代码 体系平台相关的代码如arm arch/arm/kernel
        • lib
          • 系统核心库代码 体系平台相关的代码如arm arch/arm/lib/目录下。
        • mm
          • 内存管理代码 体系平台相关的代码如arm arch/arm/mm目录下。
        • net
          • 网络相关的代码，如协议
        • samples
          • 内核编程的一些规范示例
        • scripts
          • 配置编译内核的一些脚本及工具代码
        • security
          • 主要包含SELinux模块 SELinux(Security-Enhanced Linux) 是美国国家安全局（NSA）对于强制访问控制的实现，是 Linux上最杰出的新安全子系统。NSA是在Linux社区的帮助下开发了一种访问控制体系，在这种访问控制体系的限制下，进程只能访问那些在他的任务中所需要文件。
        • sound
          • ALSA,OSS音频设备的驱动核心代码和常用设备驱动。
        • tools
          • 一些工具代码
        • usr
          • 实现了用于打包和压缩的cpio等
        • virt
          • 内核虚拟机
  • Lesson5_linux初始化简述
    • 各个体系平台的初始化过程是有差异的 这里以为arm为例来说明
    • 启动条件
      • 1、CPU工作于SVC模式 2、屏蔽IRQ和FIQ中断 3、关闭MMU 4、关闭数据cache（指令cache(Instruction cache)可打开，也可关闭的） 5、r0必须是0 6、r1必须是机器码
    • 第一阶段
      • 内核非压缩和非压缩两种，压缩的会先自解压，后面的动作就一样了，一般有下面一些工作要做（随着版本变化，具体实现可能会有差异） 1、确保CPU工作于SVC模式并且IRQ和FIQ中断是关闭的 2、验证processor type 3、验证machine type 4、创建页表、开启MMU 5、跳转到C入口的第二阶段代码
    • 第二阶段
      • 1、执行各种模块的初始化（核心及设备等） 2、挂接根文件系统 3、启动第一个init进程
  • Lesson6_linux内核移植步骤
    • 选平台
      • 修改Makefile
        • 修改顶层目录下的Makefile ARCH ?= arm CROSS_COMPILE ?= arm-linux- 指定arch/arm目录下的指定板子目录需要交叉编译编译，其他体系平台下的目录则不会。
    • 修改定制板文件
    • 选配模块
  • 文件系统制作
• 3.Linux内核及驱动开发
• Socket常用函数介绍
  • socket - create an endpoint for communication #include #include int socket(int domain ,int type, int protocol) ; bind - bind a name to a socket #include #include int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen) ; listen - listen for connections on a socket #include #include int listen(int sockfd,int backlog) ; accept - accept a connection on a socket #include #include int accept(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen) ; connect #include #include int connect(int sockfd,const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen) ; read , write , close send,sendto , sendmsg - send a message to a socket #include #include ssize_t send(int sockfd,const void *buf,size_t len,int flags) ; ssize_t sendto(int sockfd,const void *buf,size_t len,int flags, const struct sockaddr *dest_addr,socklen_t addrlen) ; ssize_t sendmsg(int sockfd,const struct msghdr *msg,int flags) ; recv, recvfrom , recvmsg - receive a message from a socket #include #include ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags) ; ssize_t recvfrom(int sockfd,void *buf,size_t len,int flags,struct sockaddr *src_addr,socklen_t *addrlen) ; ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags) ;