作業系統之前的程式 for stm32f4 - discovery (1) - 1 加到 10 , asm version

對 x86 的學習暫時告個段落, 我開始邁向另一個硬體平台 arm (cortex-m), 使用的是 stm32f4discovery 這塊開發板, 比較不滿意的是沒有 mmu, 192k ram 也實在小了點, 咦！前一篇提過了阿？那我就再說一次。至少給我 1M 阿！我實在是不習慣 mcu 的小資源。

重複同樣的學習方式, 先來開發第一支作業系統之前的程式, 和 x86 pc 有 bios 不同, 這支程式就是板子開機後第一支執行的程式。比起作業系統之前的程式, 標題取為開機後的第一支程式聽起來似乎威一點, 但是對稱之美是很重要的, 所以就這樣囉！

和之前一樣, 先來個組合語言的版本, 而和 x86 一樣, 有不同的組合語言語法 - arm/gnu, 這裡的例子是 gnu arm 組合語言語法。這是 ARM Cortex-M3 嵌入式系統 設計入門 page 19-3 的範例 - 1 加到 10。

one2ten.S

 1 # ARM Cortex-M3 嵌入式系統 設計入門 p 19-3 
 2 .equ STACK_TOP, 0x20000800
 3 .text
 4 .global _start
 5 .code 16
 6 .syntax unified
 7 _start:
 8   .word STACK_TOP, start
 9   .type start, function 
10   # let lsb to 1
11 
12 start:
13   movs r0, #10
14   movs r1, #0
15 
16 loop:
17   adds r1, r0
18   subs r0, #1
19   bne loop
20 
21 deadloop:
22   b deadloop
23 .end

編譯指令在作業系統之前的程式是很重要的, 一定要列出來:

arm-none-eabi-as -g -mcpu=cortex-m3 -mthumb -o factorial.o factorial.S
arm-none-eabi-ld -Ttext 0x0 -o factorial.elf factorial.o
arm-none-eabi-objcopy -O binary factorial.elf factorial.bin

對於我們的第一支 cortex-m3 程式, 就簡單點, 不用 link script。

再來和 x86 pc 有點不同, 把這程式燒錄到 flash (pc 則是複製到軟碟或是硬碟), 無法使用平常的 cp/dd 指令, 得用 openocd/stlink。

flash address: 0x8000000
使用 stlink 的指令 st-flash 來把程式寫入到 flash。

st-flash write factorial.bin 0x8000000

openocd 指令請參考:
Programming STM32 F2, F4 ARMs under Linux: A Tutorial from Scratch

開機後在預設情形下, flash address 會被 map 到 0x0 上, 所以可以簡單看成從位址 0 的地方開始執行程式。

由於沒有使用特定開發板的 IO， 所以應該可以在各家的 cortex-m 系列 的開發板執行, 也可以用〖作業系統之前的程式 for stm32f4discovery (0)〗提到的模擬器來執行。

和 arm v6 以前的架構有點不同, 找書籍/資料時可別看到 arm 就認為是自己要看的資料。arm 開始幹不相容的事情了, 沒有 intel 的老舊包袱還真好。

讓 stm32f4discovery 一開機就執行的程式要怎麼寫呢？
L8, L9 就是重點:

• L8 的 .word 填上兩個 4 個 byte 值, 第一個就是 stack (sp) 的位址, 所以填上什麼數字, stack 位址就從那開始。開機時, cortex-m3 系列會把 0~3 這 4 byte 的值填到 sp。
• L8 的 start 則是一開機就會跳到該位址執行程式碼, 本範例是 start 的位址, 所以一開機之後, stack 設好了, 程式也從 start 開始執行。而這 8 個 byte 必須在執行檔的前 8 個 byte。

這是怎麼做到的?
arm-none-eabi-ld -Ttext 0x0 表示將 text section 從 0 開始算起, 所以 .word STACK_TOP, start 這行指令, 就會佔據執行檔的前 8 byte, STACK_TOP 佔了 4 byte, start 也佔了 4 byte。

descent@debianlinux:stm32_prog$ hexdump -C factorial.bin 
00000000  00 08 00 20 09 00 00 00  0a 20 00 21 09 18 01 38  |... ..... .!...8|
00000010  7f f4 fc af ff f7 fe bf 

紅色 20000800 就是 sp 的值, 從 gdb dump register 可以得證。

(gdb) target remote localhost:1234
Remote debugging using localhost:1234
0x00000008 in ?? ()
(gdb) file ./
.factorial.S.swp  factorial.S.html  h.sh              stm32.h
.git/             factorial.bin     hello.c           stm32.ld
.makefile.swp     factorial.elf     makefile          stm32f4xx.h
README.md         factorial.o       mymain.c          stm32f4xx_gpio.h
factorial.S       g1.sh             q.sh              
(gdb) file ./factorial.elf 
A program is being debugged already.
Are you sure you want to change the file? (y or n) y
Reading symbols from /home/descent/git/jserv_course/stm32_prog/factorial.elf...done.
(gdb) l
1 # ARM Cortex-M3 嵌入式系統 設計入門 p 19-3 
2 .equ STACK_TOP, 0x20000800
3 .text
4 .global _start
5 .code 16
6 .syntax unified
7 _start:
8   .word STACK_TOP, start
9   .type start, function 
10   # let lsb to 1
(gdb) l
11 
12 start:
13   movs r0, #10
14   movs r1, #0
15 
16 loop:
17   adds r1, r0
18   subs r0, #1
19   bne loop
20 
(gdb) b 13
Breakpoint 1 at 0xa: file factorial.S, line 13.
(gdb) r
The "remote" target does not support "run".  Try "help target" or "continue".
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 1, start () at factorial.S:14
14   movs r1, #0
(gdb) i r
r0             0xa 10
r1             0x0 0
r2             0x0 0
r3             0x0 0
r4             0x0 0
r5             0x0 0
r6             0x0 0
r7             0x0 0
r8             0x0 0
r9             0x0 0
r10            0x0 0
r11            0x0 0。
r12            0x0 0
sp             0x20000800 0x20000800
lr             0x0 0
pc             0xa 0xa
cpsr           0x173 371
(gdb) 

藍色的 00000009 是 start 的位址, 從 objdump 看來明明就是 00000008, 怎麼多了個 1。這是 thumb 的關係, 若是 00000008 會讓 cpu 以為是在 arm 模式, 會得到一個 Hard Fault Exception。

這就是 L9 的作用, 沒有這行, 這個值就會是 00000008。

 9   .type start, function 

arm-none-eabi-objdump -d factorial.elf

 1 
 2 factorial.elf:     file format elf32-littlearm
 3 
 4 
 5 Disassembly of section .text:
 6 
 7 00000000 <_start>:
 8    0: 20000800  .word 0x20000800
 9    4: 00000009  .word 0x00000009
10 
11 00000008 <start>:
12    8: 200a       movs r0, #10
13    a: 2100       movs r1, #0
14 
15 0000000c <loop>:
16    c: 1809       adds r1, r1, r0
17    e: 3801       subs r0, #1
18   10: f47f affc  bne.w c <loop>
19 
20 00000014 <deadloop>:
21   14: f7ff bffe  b.w 14 <deadloop>

一樣不需要寫 dram controller 的 code, lucky!!因為使用的是 sram, 似乎不用寫什麼程式碼就可直接使用。好了, 解釋完畢, 組合語言的部份請自己查閱, 用 openocd/gdb 來 single step 吧！依照慣例, 應該猜得到, 下一篇會是 c 語言的版本。

source code:
https://github.com/descent/stm32f4_prog

ref:
ARM Cortex-M3 嵌入式系統 設計入門