【笔记】ARM裸机程序开发_part5

阳光穿透心脏的1/2处 2022-06-02 01:18 239阅读 1赞

![这里写图片描述][SouthEast]

吐槽~天啦噜真是累哭了，以前不会想到排版这么累的。  
以下是ARM裸机的最后一部分

12.1 I2C  
I2C： 物理结构非常简单，只有两根线。SCL+SDA

SCL是时钟线，传输CLK信号，一般是I2C的主设备向从属设备提供时钟的通道  
（serial clock 串行时钟）  
SDA是数据线，通信数据通过SDA传输  
（serial data 串行数据）

通信特征：串行、同步、非差分、低速率  
同步：工作在同一个时钟。一般是方通过一根CLK信号线传输A自己的时钟给B，B在A传输的时钟下工作  
同步通信的显著特征就是有CLK线  
非差分：即是电平信号。只有高速的通信（如USB）才会使用差分信号抗干扰。通信双方距离近，干扰本来就少  
低速率：I2C一般是用一个板子上两个IC之间的通信，用来传输的数据量不大，一般只有几百K/s

每个I2C设备都有一个从地址，该地址是唯一的，是设备本身固有的设备，在通信中通过地址来甄别各个I2C设备。

电平通信：绝对的电压是没有意的，电压差是真正的意义。电平信号的传输线中有一个参考电平线（一般是GND）  
容易受到干扰，届时传输失败  
8位二进制并行通信时：需要9根线（1参考GND+8数据线）  
差分信号：也是两条线，但是没有1和0，通过高电平减去其对称的低电平（详情1.7.1 37分钟），可能有9V-0.6V  
最显著的特征就是抗干扰能力比较强，传输质量比较稳定，现代通信一般使用差分信号，电平信号很少。  
而且电压整体上移或者下移没有影响。  
8位二进制并行通信时：需要16根线（8x2数据线）

串行通信和并行通信：看起来并行通信快一些，但是串行通信才是王道，因为省信号线，速度可以由通讯提高。

经过发展，最终胜出的通信：异步、串行、差分（USB和网络）

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I2C的时序

I2C总线：就是时钟线+数据线  
时钟线是非常规律的。

I2C的总线空闲状态、起始位、结束位  
I2C总线上有一个主设备，n个从设备。同时只能有一个从设备与主设备 通信。  
所以I2C总线上有2种状态：  
空闲态 所有从设备未通信  
忙态 其中一个从设备在和主设备通信，总线被占用

时序看什么？就看每一个时间点CLK和SDA处在高电平还是低电平  
空闲态： SDA高电平，SCL高电平持续好几个周期。通信未开始。

起始位： （一个时间段内）SCL保持高电平，SDA从高到低跳变 \[下降沿\]  
结束位： （一个时间段内）SCL保持高电平，SDA从低到高跳变 \[上升沿\]

【重要】 数据传输：在起始之后，每一个SCL的上升沿发生1bit的数据传输！  
也就是在SCL上升沿前SDA要锁存数据，上升沿结束即录入。  
主设备有收发的权利，从设备只有被动的响应。

写模式  
start 发送从设备7bit地址 R/W 从设备响应 主发送DATA1Byte 从设备响应 stop

读模式  
start 发送从设备7bit地址 R/W 从设备响应 从发送DATA1Byte 主设备响应 stop

传输过程  
1主设备开始发送7位地址和1位读写标志，然后以广播 形式发送。总线上的其他设备全部都能接收到，总线上的从设备都到地址后，要和自己的地址进行比较看是否相等。如果相等说明我们的主设备就是给“我”说话。如果不相等就说明这次通信与我无关，不用管了。  
2每当主设备发送起始位，从设备都竖起耳朵仔细听，听到地址来判断是不是给自己说话。  
3主设备发送一段数据后，从设备回应一个ACK，拉低总线，本身只占1个bit位。主设备先释放总线，然后从设备回应ACK。如果从设备没有拉低总线，则主设备看到的现象是总线在一直高，没有收到ACK，主设备就认为刚刚发送的8bit接收失败  
释放总线：I2CCON上的某一位有相关操作  
主设备等待ACK释放总线时SDA会拉低。我们的空闲状态是高电平  
如果我们不释放又不发，SDA就会一直高着，也就没有ACK

这种时序规则不只是I2C，DDR和NAND都是用的类似的规则，只不过线有好几根。搞FPGA、搞DSP的关注时序这种东西，我们知道了有好处。  
整个通信分多个周期。  
两个相邻的通信周期之间是空闲态。  
每一个通信周期由1个“起始位”开始，以1个“结束位”结束。中间是通信数据

I2C是用控制器自动做的，但是单片机是可以用GPIO模拟I2C的，因为不复杂。

在某一个通信时刻，主从设备只能有一个在发\[写总线\]，另一个在收\[读总线\]。绝对不可以同时写操作总线哦！

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S5PV210 的 I2C控制器

I2C框图不复杂，比较简单  
通信双方本质上是通过时序在工作，但时序复杂不利于软件完成，于是产生了I2C控制器。

PCLK\_PSYS似乎是经过分频进来了。  
I2C总线控制背后是一坨电路，我们的接口就是I2CCON I2CSTAT，负责产生I2C通信时序。实际编程中要用的起始位、停止位、ACK就靠他们。

此外还有一个shift register，移位寄存器，将寄存器的待发送数据1位1位推入SDA。

地址比较器+比较器(未验证)  
I2C控制器做从设备时用

I2C的时钟  
一般要求速率不多。  
时钟源是PCLK\_PSYS  
2级分频  
第一级分频是I2CCON的bit6，可以得到一个中间时钟I2CCLK  
第二级得到工作的最终时钟。（Transmit clk value,1-16分）  
eg：65000 /512/ 4 = 31KHz

主要寄存器  
I2CCON 【重要】  
I2CSTAT 【重要】  
I2CADD 用来写自己的slave addr，一般用不到。  
I2CDS 发送/接收的数据都放在这个

I2C中断  
I2C中断是顺应CPU设计需要，可以不用他。有他的好处是cpu比起I2C速度快太多，I2C可以每装载1byte发生一个中断，提醒cpu装载，不必让cpu一直等着。

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12.3 X210的gsensor介绍

我们的最终目的：通过I2C读写作为从设备的gsensor的寄存器

原理图分解  
讲gsensor传感器是因为他是I2C从设备，重力传感器。G-sensor的原理图在底板图上KXTF9-2050.  
左边是一个LDO开关，用来供电的，可以让Gsensor不必一上电就接通。EN1=1模块导通。  
PWMTOUT3输出高电平时，gsensor工作。

重力传感器  
即重力加速度传感器。测试的是物理的加速度 。  
典型的应用：计步器。  
发展应用：重力传感器、地磁传感器（电子罗盘）、陀螺仪，9轴传感器。

一般的传感器接口有2种  
模拟接口 以接口电平变化作为输出。如压力，压力不同时输出电平在0~3.3V变化  
需要用AD接口对接传感器，得到一个数字电压值，再用数字电压量化成压力值  
数字接口 是模拟接口的sensor基础上，内部集成了AD转换，直接输出一个数字值的参数  
输出的参数通过一定的总线协议，一般用的 就是I2C  
感觉已经成为主流了

I2C从设备的设备地址  
我们的I2C接口一共有4个，这里使用了I2C0。  
KXTE9 7位地址是：0001111 0x0f  
每一个芯片厂商出厂的同一个芯片都配备一个I2C从设备地址，这个地址是统一的。  
发送给gsensor消息时，SAD(Slave addr)应该是：  
前7位：从设备地址  
第8位：R/W， 0代表主写从读  
1代表主读从写  
因为有R/W，所以KXTE9主写从读是的地址是0X1E，要注意

注意：I2C连两个同样的芯片就真的会出事的！会用不了。  
e2prom设计了针对这个问题出现的解决方案，在地址后面加了3码。

注意：一般来说sensor的本身I2C速率偏低，如KXTE9最高支持400KHz频率，我们确定通信频率的时候要比主从两边都小。

I2C从设备接收的指令长度是不一定的，我们发多长的要看从设备  
以主设备写一个字节数据给gsensor为例：  
1 master发S , SAD+W，等待ACK  
2 master发Register Addr，等待ACK  
3 master发DATA，等待ACK  
4 接收得到ACK，stop

这里就一共发送了24个bit数据。8位选从设备，8位选择寄存器，8位配置从设备寄存器  
甚至可以多个DATA，发送多字节数据  
这里有一个隐情：gsensor中发送多个DATA数据不会写到一个寄存器里，而是gsensor有逻辑，每当发送一个额外的DATA，寄存器地址都会向后移动。

I2C通讯中有的地方不发ACK，我们要把他空过去而不是省略他。否则后面的stop失效

看了驱动的代码，看出来驱动和裸机相比  
逻辑结构上基本是一样的  
语言上驱动使用了大量宏定义子函数，更为复杂  
驱动将物理层（时序）和应用层分开

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13 ADC  
AD转换的原理：多是二分法出来的（有点神奇0.0）

ADC的几个重要特征  
量程（转前范围）  
精度（转后范围）  
转换速率 //AD转换是需要时间的，不同芯片不一样。通常单位：MSPS  
//MSPS：mega Sample(采样) per second.每秒转出nM数字值

//AD工作需要一个时钟，有一定范围，我们配给他。  
//S5PV210中，MSPS = 时钟频率 / 5

DAC的原理是通过一些RC元件，配合滤波实现的。单纯的cpu是不够的，cpu是个数字化设备。

x210的ADC  
10路ADC，2路触摸屏  
s5PV210是支持2路触摸屏的，触摸屏是ADC的一个功能实现

adc的主要控制寄存器  
TSADCCON0  
TSCON0 暂时不用  
TSDAT 存放转换出来的数据X TS:TouchScreen  
CLRINTADC0 清中断  
ADCMUX 选择AD通道

等待触摸屏转换结束的方法  
1 检查标志位  
轮询检查标志位是否为1  
2 中断  
设置中断isr读取ad转换数据

AD转换是时刻反复进行 的，这里使用了一种机制叫“stand by read”，读取AD值之后硬件立刻自动开启下一次AD转换。

编程听完，实验偷个懒不做了~~  
困死了而且腹痛，记完这句话一定要去躺=.=

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1.14.2.LCD的接口技术、

1.14.2.1、从电平角度来讲本质上都是TTL信号  
(1)什么是TTL接口。  
\+5V表示逻辑1，0V表示逻辑0.这种就叫TTL电平，和CMOS电平相对比。  
(2)SoC的LCD控制器硬件接口是TTL电平的，LCD这边硬件接口也是TTL电平的。所以他们俩本来是可以直接对接的，手机、平板、开发板都是这样直接对接的（一般用软排线连接）。

(3)TTL电平的缺陷就是不能传递太远，如果LCD屏幕和主板控制器太远（1米甚至更远）就不能直接TTL连接了，要进行转换。  
所以我们使用的转换方式：

主机SoC(TTL) ->VGA-> LCD屏幕(TTL)

1.14.2.2、各种接口（TTL、LVDS、EDP、MIPI、）在传输速率、距离、适配性方面不同  
（参考资料：[http://blog.csdn.net/wocao1226/article/details/23870149][http_blog.csdn.net_wocao1226_article_details_23870149]）

1.14.2.3、RGB接口详解(参考数据手册P1207页时序图)

(1)VD\[23:0\]：24根数据线，用来传输图像信息。可见LCD是并行接口，速率才够快。  
(2)HSYNC(水平同步信号)  
(3)VSYNC(垂直同步信号)： 时序信号线，为了让LCD能够正常显示给的控制信号  
(4)VCLK(像素时钟)： LCD工作时需要主板控制器给LCD模组一个工作时钟信号，就是VCLK  
(5)VDEN(数据有效标志)：时序信号，和HSYNC、VSYNC结合使用。  
(6)LEND(行结束标志，不是必须的)：时序信号，非必须，譬如X210接口就没有。

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14.3 LCD如何显示图像  
几个重要器件：显示内存，SoC，LCD控制器，LCD驱动器，LCD面板

像素  
像素pixel，像素是图片的基本组成元素  
每个像素可以被单独控制。有的是控制亮或灭，有的是控制亮度，有的显示不同颜色

扫描  
图像不是一下子出来的，而是一个点一个点出来的  
最早是由CRT大屁股显示器遗留下来的。到LCD年代已经失去意义了，但习惯上还这么叫。  
扫描频率（刷新率）不能太慢，太慢就能看到闪动（高于60Hz不会感觉到）

驱动器&控制器  
LCD显示需要几个部件：  
SoC —显示图像数据依次填充到—> LCD像素  
LCD由两部分组成：  
LCD本体，以及LCD驱动器。驱动器负责产生复杂的模拟电信号  
LCD驱动器发送模拟信号，驱动LCD内部的液晶分子流动，形成各种颜色和图像  
LCD驱动器的信号从LCD控制器来

SOC+LCD控制器-----(DIGITAL,RGB)---LCD驱动器----(ANALOGE)--LCD
    
    LCD驱动器往往和LCD面板集成在一起。
    LCD控制器往往和SoC集成在一起，他按照一定时序和驱动器通信。

显示内存：简称显存  
LCD控制器要给驱动器发一张图片。开始可能在FLASH里面，由SoC读到显示内存中。内存中进行解码（如jpeg），于是就有了一幅像素数据了。  
SoC在内存中挑一段内存（一般为程序员对齐挑选），作为显示内存。然后配置LCD控制器，将LCD控制器和显存连接起来构成一个映射关系，随后就自动可以读取到LCD驱动器。  
这个流程只要配置好，就是全部自动的了。

显示的过程是不需要cpu参与的，但是cpu要做的有搬运内存，解码等等…做完这些之后，以后cpu只关心显存即可。【cpu要把像素丢到显存，硬件就会自动响应，屏幕即可看到】  
【再强调一般：cpu的工作重点，就是关注显存】

总结： 1 建立显示体系  
CPU初始化LCD控制器，建立映射  
2 填充显存  
要显示的图像丢到显存中去

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16、shell原理和问答机制

本节课shell是模仿的uboot写的，但是做了简化  
通过写这个项目对uboot有一个框架性的认识。

1 从零开始  
2 移植进开发板  
3 定义标准命令集  
4 添加命令  
5 实现开机倒计时执行命令  
6 内存中实现环境变量  
7 在flash中保存环境变量

做这样的事情做的比较复杂之后就形成了自己的bootloader，工作中不会要求这么做，但是可以通过学习搞一个这个出来。

shell：用户操作接口。shell是计算机内部复杂系统的封装。  
计算机程序本身很复杂，里面的实现和外部的调用必须分开。操作者不需要明白内部实现  
操作系统必须提供shell

shell编程就是脚本编程，就是在shell层次上编程  
例如  
linux中脚本、windows中的批处理  
uboot：本课程中是裸机程序构成的shell

几种shell：GUI图形用户界面 cmdline命令行 路由器webshell  
展望：未来的shell应该是声音图像接口的

shell的运行原理：是一个死循环  
loop  
\{  
命令接收  
命令解析  
命令执行  
\}  
命令行有一个标准命令集，用户在操作时候必须知道命令，不能随便输入。不听话会提示不合法输入

16.2 从零开始写shell  
第一步：使用printf和scanf输入回显  
第二步：定义简单命令集

【main.c】

//宏定义一些标准命令
    #define pwd "pwm"
    #define lcd "lcd"
    
    main{
    char str[MAX_LINE_LENGTH];
    char cmdset[MAX_CMD_NUM] [MAX_LINE_LENGTH];
    
        init_cmd_set();     //初始化命令列表
        loop
        {
            printf("root@KimonoYan# ");
            scanf("%s" , &str)
    
            //解析命令
            for（i=0; i<CMD_NUM; i++）
            {
                if(strcmp(str, g_cmdset[i]) == 0)
                {
                    //相等，找到了命令
                    ...
                    break;
                }
                if(i >= CMD_NUM)
                {
                    printf("找遍了，%s不是一个内部合法命令,str");
                }   
            }
            //处理命令 
        }
    }
    
    void init_cmd_set(void)
    {
        memset(g_cmdset, 0,sizeof(g_cmdset));
        strcpy(g_cmdset[0], lcd);
        strcpy(g_cmdset[1], pwm);
    }

16.3 移植到开发板上

项目的工程是从裸机7章，串口ver1.1开始的  
bl main  
这个工程的lds和makefile都是改写的比较严谨的，注意一下  
不使用标准库！我们的putchar、puts都是重定义的。

void main()
    {
        char buf[100];
    
        uart-init()
    
        puts("root#");
        memset();       //清buf，没有使用标准库，所以这个memset是我们自己的
                        //我们的puts等函数标准输出都定义的 是串口，如果使用标准库，
                        //这些函数就会产生冲突，也就随之不能使用了
        gets(buf);
        puts("机酱输入的是：");
        puts(buf);
        puts("\n");
    }
    
    void puts(const char *p)
    {
        while (*p != '\0')
        {
            putchar(*p);    //putchar()函数就是用uart发送1个char
            p++;
        }
    }

gets和getchar就更麻烦了  
这两个是从WIN下 的SecureCRT输入到裸机程序中，有两个问题  
1 用户输入回显问题  
按一个p就出一个”p”，但是输入的时候不设定，才不会有实时显示呢  
2 用户按回车键问题  
出现’\\r’，要跟着返回一个’\\n’，避免换行不回车问题  
3 用户按退格键问题

if( getchar() == '\b' )
            {
                putchar('\b');
                putchar(' ');
                putchar('\b');
                p--;        
                *p = '\0';      //指针指向了要删除的格子，填充\0
                                //最后一行，其实也是没有必要的
            }

16.4 添加命令：led 实现功能是控制板载LED亮灭  
扩展：led 1 on 表示点亮led1亮

int main(argc, *argv[])
    { ？ }

命令解析：就是把一个类似led on这种命令解析成led 和 on，放在一个字符串数组中  
定义：

g_cmdset[CMD_NUM] [MAX_LINE_LENGTH] //全局，命令集
        char cmd[5][20];        //当前解析的命令。最多由5部分构成，最长为20.
    
    void init_cmd_set()         //初始化命令列表
    {
        memset(（char *）g_cmdset, 0 ,sizeof(g_cmdset));      //先全部清零
        strcpy(g_cmdset[0], led);
        strcpy(g_cmdset[1], lcd);
    
        memset(（char *）cmd, 0 ,sizeof(cmd));    
    }

但是目前不可以使用led on，led off，led flash等命令，因为没有命令的第二部分  
我们管“led”称为主命令，on和off称为次命令。

命令集g\_cmdset里面存的是主命令。

//第一步，先将用户输入的次命令分割放入cmd中    
        cmdsplit()
    //第二步将cmd中的次命令第一个字符串和g_cmdset去对比
        for(i=0;i<CMD_NUM;i++;)
        {
            if(!strcmp(cmd[0]) , g_cmdset[i])
            { cmd_index = i;}
        }
    eg：第一步执行主命令，然后看次命令里面到底要干什么。

分割的任务即是写一个字符串分割函数

void cmdsplit(char **cmd, const char *str)  //将用户输入的字符串命令按空格分割成多个
                                                //然后依次放入cmd二维数组中
    {
        int m=0,n=0;                            //m是第一维，n是第二维
    
        while(*str != '\0')
        {
            if(*str != ' ')                     //如果当前不是空格
            {
                cmd[m][n] = *str;   
                n++;
            }
            else                                //如果是空格 
            {
                cmd[m][n] = '\0';
                n = 0;
                m++;
            }   
            str++;
        }
    
    }

二维数组：  
n 0 1 2 3  
m  
0  
1  
2  
3

执行命令

void cmd_exec(void)
    {
        switch (cmd_index)      //cmd_index是当前命令号，第n个 命令，全局变量
        case 0:
        case 1:
        default:
        break;
    }

[SouthEast]: /images/20220602/7ea0cfdd23bb46b087863186e3bb4d52.png
[http_blog.csdn.net_wocao1226_article_details_23870149]: http://blog.csdn.net/wocao1226/article/details/23870149