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ARM(5)-IMX6ULL 裸机开发入门：从启动到点亮第一盏 LED 灯

news 2025/9/11 5:17:52

一、开发板介绍：IMX6ULL-Mini 的硬件基础

正点原子的 IMX6ULL-Mini 开发板 是入门 ARM Cortex-A7 裸机开发的经典平台，核心硬件与结构如下：

1. 核心板（六层板设计）

  • CPU：NXP i.MX6ULL Cortex-A7 单核处理器，工业级主频 528MHz、商业级 800MHz，采用 BGA 封装，平衡性能与功耗。
  • 内存：512MB DDR3L RAM，为程序运行提供高速数据存取能力。
  • 存储：8GB eMMC，支持 SD 卡、NAND、eMMC 等多启动模式，灵活适配不同开发场景。
  • 显示扩展：预留 4.3 寸 800×480 分辨率屏幕接口，便于后续图形界面开发。

2. 底板（以 LED 模块为例）

底板负责外设扩展，其中LED 模块是最基础的 “Hello World” 级外设：

  • 用户 LED：1 颗红色 LED 为 “用户可控灯”（后续通过代码控制其亮灭）。
  • 电源指示灯：1 颗蓝色 LED 为电源状态指示（上电即常亮）。
  • 限流保护：LED 串联 510Ω 限流电阻，防止电流过大烧毁灯珠，体现硬件 “保护性设计”。

二、启动代码：ARM 处理器的 “开机第一步”

裸机开发中，启动代码（Start Code） 是系统上电后执行的第一段程序，负责初始化处理器核心状态（如工作模式、栈、中断）。以下是基于 ARM 汇编的核心逻辑：

1. 异常向量表：处理 ARM 的 8 类核心异常

ARM 处理器规定，不同 “异常”（如复位、中断、指令错误）会跳转到固定内存地址执行处理程序，这些地址组成异常向量表。代码通过 ldr pc, =处理函数 指定各异常的入口：

.global _start__start:; 0x00：复位异常（系统上电/复位时触发，优先级最高）ldr pc, =_start_handler ; 0x04：未定义指令异常（执行处理器不识别的指令时触发）ldr pc, =_undefined_handler; 0x08：管理模式异常（通常由SWI指令触发，用于系统调用）ldr pc, =_supervisor_handler; 0x0C：预取指中止异常（指令读取失败时触发）ldr pc, =_prefetch_handler ; 0x10：数据中止异常（数据读写失败时触发）ldr pc, =_data_abort_handler; 0x14：保留异常（未使用，预留）ldr pc, =_not_use_handler; 0x18：IRQ中断（普通外部中断，如按键）ldr pc, =_irq_handler  ; 0x1C：FIQ中断（快速中断，如定时器，响应优先级更高）ldr pc, =_fiq_handler

除复位异常外，其他异常的处理函数暂为 “死循环”（b 自身）—— 这是最基础的 “防跑飞” 设计，后续可根据需求扩展实际逻辑。

2. 复位处理：初始化处理器状态

_start_handler 是系统上电后第一个执行的函数，负责初始化 CPU 的工作模式、栈、中断状态：

_start_handler:; 关闭IRQ中断：防止初始化过程被外部中断打断cpsid i     ; 步骤1：切换到IRQ模式，初始化IRQ栈cps #0x12    ; 0x12是IRQ模式的编码（二进制`10010`）ldr sp, =0x82000000  ; 设置IRQ模式的栈指针（需确保地址在有效内存区间）; 步骤2：切换到系统模式，初始化系统栈cps #0x1F    ; 0x1F是系统模式的编码（二进制`11111`，特权模式，用于主逻辑）ldr sp, =0x84000000  ; 设置系统模式的栈指针（与IRQ栈地址分离，避免冲突）; 打开---再次关闭IRQ中断，确保初始化完成后中断状态cpsid i     finish:b finish     ; 初始化完成后，进入死循环（后续可扩展应用逻辑）

  • cps 指令：用于切换 ARM 处理器的工作模式（如 IRQ 模式、系统模式）。
  • ldr sp, =地址：为当前模式设置栈指针（SP）—— 栈是函数调用、中断处理的 “临时数据容器”，必须提前初始化。

三、点亮 LED：外设寄存器的 “精准控制”

要控制底板上的红色 LED，需通过寄存器配置完成 “引脚复用→电气特性→GPIO 方向→数据输出” 的流程。

前期准备：查阅技术文档


开发外设前需明确硬件连接和寄存器配置，核心参考文档（开发板购买处可提供）

  • 《IMX6ULL_MINI_V2.2 (Mini 底板原理图).pdf》：确认 LED 连接的 GPIO 引脚（如 GPIO1_IO03）
  • 《IMX6ULL 参考手册.pdf》：查询 GPIO 相关寄存器的地址和配置方式

1. 硬件映射：LED 与 GPIO 的关联

从底板原理图可知：红色用户 LED 连接到 GPIO1_IO03 引脚，因此需配置该引脚的功能与输出状态。

2. 寄存器配置流程

ARM 芯片的外设通过 “内存映射” 的寄存器控制，需按顺序配置以下寄存器（以 GPIO1_IO03 为例）：

（1）引脚复用配置：选择 GPIO 功能

i.MX6ULL 的引脚可复用为多种功能（如 GPIO、I2C、UART 等），需通过 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 寄存器选择 “GPIO 模式”。

该寄存器的低 4 位决定复用功能，设置为 0101（二进制）时，引脚被配置为 GPIO 功能。

（2）电气特性配置：优化引脚驱动

通过 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03 寄存器配置引脚的电气特性（如上下拉电阻、迟滞、驱动能力等）。需根据 LED 的驱动需求（如电流、电平匹配）调整，确保引脚稳定输出。

（3）GPIO 方向配置：设为输出模式

GPIO 引脚的方向由 GPIOx_GDIR（GPIO 方向寄存器）控制。对于 GPIO1 组，寄存器为 GPIO1_GDIR。

将 GPIO1_GDIR 的第 3 位（对应 GPIO1_IO03）设为 1，表示 “输出模式”（0 为输入模式）。

（4）GPIO 数据输出：控制 LED 亮灭

GPIO 数据由 GPIOx_DR（GPIO 数据寄存器）控制。对于 GPIO1 组，寄存器为 GPIO1_DR。

  • 若硬件为 “低电平点亮”：置 GPIO1_DR 的第 3 位为 0，LED 亮；置为 1，LED 灭。
  • 若硬件为 “高电平点亮”：逻辑相反（需结合原理图电平逻辑确认）。

3.****** 汇编代码实现 *********

围绕ARM 汇编启动代码（异常向量表、工作模式配置）与LED 驱动逻辑展开，结合 Makefile 工程构建流程，梳理嵌入式 ARM 开发的核心环节，适用于 I.MX6ULL 等 ARM Cortex-A 系列开发板入门实践。

A、核心文件结构

实验包含 2 类关键文件：

  • start.S：ARM 汇编源代码（异常向量表、工作模式初始化、LED 控制逻辑）
  • Makefile：编译、链接、烧录脚本（指定工具链、生成可执行文件、下载到 SD 卡）

B、ARM 汇编代码解析（start.S）

代码分为 4 大模块：异常向量表、工作模式与栈初始化、LED 控制函数、主循环，遵循 ARM Cortex-A 汇编语法（AT&T 或 ARM 语法，本文为 ARM 语法）。

（一）1. 异常向量表（ARM 架构核心）

异常向量表是内存固定地址区域（本文链接地址0x87800000，对应 I.MX6ULL 启动地址），存储 8 类异常的处理入口，地址偏移固定（每 4 字节 1 个入口，对应 32 位指令）。

地址偏移（相对链接地址）异常类型触发场景处理函数功能说明
0x00复位异常（Reset）系统上电 / 复位按钮按下_start_handler优先级最高，是程序第一个执行的入口
0x04未定义指令异常执行处理器不识别的机器码指令_undefined_handler本文暂用 “忙等” 实现（无实际处理逻辑）
0x08管理模式异常（SVC）执行SWI指令（用户态→内核态切换）_supervisor_handler暂用 “忙等” 实现
0x0C预取指中止异常读取指令时地址无效 / 权限不足（如访问 ROM 越界）_prefetch_handler暂用 “忙等” 实现
0x10数据中止异常读写数据时地址无效 / 权限不足（如访问 RAM 越界）_data_abort_handler暂用 “忙等” 实现
0x14保留异常未定义用途（ARM 架构预留扩展）_not_use_handler暂用 “忙等” 实现
0x18IRQ 中断普通外部中断（如按键、传感器、串口）_irq_handler暂用 “忙等” 实现（后续可扩展中断服务函数）
0x1CFIQ 中断快速中断（如定时器、高速外设）_fiq_handler暂用 “忙等” 实现（响应速度比 IRQ 快）
关键语法说明：
  • .global _start：定义全局符号_start，作为链接器的入口（告诉链接器程序从这里开始执行）。
  • ldr pc,=label：将label的地址加载到程序计数器pc，实现 “跳转到异常处理函数”（ARM 汇编中pc指向当前执行指令的下两条，此伪指令可正确加载目标地址）。
  • b label：无条件分支跳转（“忙等” 逻辑，即异常触发后循环等待，避免程序跑飞）。

（二）2. 系统初始化（_start_handler）

复位异常触发后，进入_start_handler，完成工作模式切换、栈指针设置、中断关闭（防止初始化被干扰），为后续 LED 控制做准备。

_start_handler:cpsid i     // 关闭IRQ中断（禁止外部中断干扰初始化，i=IRQ）cps #0x12   // 切换到IRQ模式（模式码0x12：ARM Cortex-A中IRQ模式的cpsr配置值）ldr sp, =0x82000000  // 设置IRQ模式栈指针（需在I.MX6ULL的RAM范围内，如0x80000000~0x90000000）cps #0x1F   // 切换到SYS模式（系统模式，特权模式，用于后续函数调用）ldr sp, =0x84000000  // 设置SYS模式栈指针（与IRQ栈地址不重叠，避免栈冲突）// cpsie i   //打开 IRQ 中断（ie=enable IRQ），初始化完成后可按需开启。bl led_init // 调用LED初始化函数（bl=分支并链接，将返回地址存入lr寄存器）b finish    // 跳转到主循环（不再返回）
核心知识点：

  1. 工作模式码（Cortex-A 系列）：

    • 0x12：IRQ 模式（中断模式，处理外部中断）
    • 0x1F：SYS 模式（系统模式，特权模式，支持访问所有硬件资源，适合主程序运行）
    • 切换模式用cps #模式码（CPSR 控制指令，直接修改程序状态寄存器）。

  2. 栈指针（sp）设置：

    • 不同工作模式需独立栈空间（避免模式切换时栈数据覆盖）。
    • 栈地址需在开发板的 RAM 范围内（I.MX6ULL 的 RAM 基地址为0x80000000，大小通常为 256MB/512MB）。

  3. 中断控制：

    • cpsid i：关闭 IRQ 中断（id=disable IRQ）。
    • cpsie i：打开 IRQ 中断（ie=enable IRQ），初始化完成后可按需开启。

（三）3. LED 控制函数

通过操作 I.MX6ULL 的GPIO 寄存器，实现 LED 的初始化、点亮、熄灭，核心是 “配置 GPIO 功能→设置 GPIO 方向→操作 GPIO 数据”。

（1）LED 初始化（led_init）

配置 GPIO 的复用功能（将引脚设为 GPIO 模式）、电气特性（上下拉、驱动能力）、方向（输出模式）。

led_init:// 1. IO复用配置：将引脚复用为GPIO（I.MX6ULL的复用寄存器地址0x020E0068）ldr r0, =0x020E0068  // 加载复用寄存器地址到r0ldr r1, =0x05        // 配置值0x05：将对应引脚复用为GPIO（需结合硬件原理图，如LED接GPIO1_IO03）str r1, [r0]         // 将r1的值写入r0指向的寄存器（完成复用配置）// 2. 引脚电气特性配置：上下拉、驱动能力、 slew rate（地址0x020E02F4）ldr r0, =0x020E02F4  // 加载电气特性寄存器地址ldr r1, =0x10B0      // 配置值0x10B0：如20K上拉、驱动能力等级、慢 slew rate（需参考芯片手册）str r1, [r0]         // 写入配置// 3. GPIO方向配置：设为输出模式（GPIO1方向寄存器地址0x0209C004）ldr r0, =0x0209C004  // 加载GPIO1方向寄存器地址ldr r1, [r0]         // 读取当前配置orr r1, r1, #(1 << 3)// 第3位置1：GPIO1_IO03设为输出（1=输出，0=输入）str r1, [r0]         // 写入配置bx lr                // 返回调用处（bx=分支并交换指令集，lr存返回地址）
（2）LED 点亮（led_on）

操作 GPIO数据寄存器，将对应引脚置低电平（假设 LED 为 “低电平点亮”，需结合硬件原理图）。

led_on:ldr r0, =0x0209C000  // 加载GPIO1数据寄存器地址（数据寄存器控制引脚电平）ldr r1, [r0]         // 读取当前电平状态bic r1, r1, #(1 << 3)// 第3位清0：GPIO1_IO03输出低电平（LED点亮）str r1, [r0]         // 写入数据寄存器bx lr                // 返回

（3）LED 熄灭（led_off）

将 GPIO 对应引脚置高电平，实现 LED 熄灭。

led_off:ldr r0, =0x0209C000  // 加载GPIO1数据寄存器地址ldr r1, [r0]         // 读取当前电平状态orr r1, r1, #(1 << 3)// 第3位置1：GPIO1_IO03输出高电平（LED熄灭）str r1, [r0]         // 写入数据寄存器bx lr                // 返回

（4）延时函数（led_delay）

通过循环计数实现简单延时（软件延时，精度较低，适合入门）。

led_delay:ldr r0, =0x7FFFF     // 加载延时计数初值（值越大，延时越长）
loop:sub r0, r0, #1       // r0 = r0 - 1（计数减1）cmp r0, #0           // 比较r0与0（设置cpsr的标志位）bgt loop             // 若r0 > 0，跳回loop继续循环（bgt=大于则分支）bx lr                // 延时结束，返回
关键寄存器说明（I.MX6ULL）：
寄存器功能地址关键配置位作用
IO 复用寄存器0x020E0068低 4 位（如 0x05=GPIO 模式）决定引脚功能（是 GPIO、UART 还是 SPI）
电气特性寄存器0x020E02F4上下拉、驱动能力位确保引脚电气性能稳定（如避免电平漂移）
GPIO 方向寄存器0x0209C004每 1 位对应 1 个引脚（1 = 输出）配置 GPIO 为输入 / 输出模式
GPIO 数据寄存器0x0209C000每 1 位对应 1 个引脚电平控制引脚输出高 / 低电平

（四）4. 主循环（finish）

初始化完成后，进入无限循环，实现 “LED 点亮→延时→熄灭→延时” 的往复逻辑。

finish:bl led_on    // 点亮LEDbl led_delay // 延时（保持点亮状态）bl led_off   // 熄灭LEDbl led_delay // 延时（保持熄灭状态）b finish     // 循环执行

C、Makefile 工程构建

Makefile 用于自动化编译、链接、生成可执行文件（start.bin），并提供烧录脚本，核心是指定ARM 交叉编译工具链（适用于 PC 编译嵌入式代码）。

（一）1. Makefile 代码解析

C、核心知识点总结

  1. ARM 异常处理：异常向量表是入口，复位异常是程序启动点，其他异常需后续扩展实际处理逻辑（如 IRQ 中断服务函数）。
  2. 工作模式与栈：不同模式独立栈空间，SYS 模式适合主程序，IRQ 模式用于中断处理。
  3. GPIO 控制流程：复用配置→电气特性→方向设置→数据操作，需结合芯片手册和硬件原理图。
  4. 交叉编译流程：汇编→编译（.o）→链接（.elf）→格式转换（.bin）→烧录，Makefile 自动化管理流程。

****************************************************

四、编译与烧写：让代码在开发板运行

裸机程序需经过 “编译→链接→格式转换→烧写” 流程，才能在开发板上运行。

1. 交叉编译工具链

开发板 CPU 为 ARM 架构，需在 x86 的 Ubuntu 上使用交叉编译工具链 arm-linux-gnueabihf-*（包含gcc、ld、objcopy等工具）。

2. 编译步骤（以start.S为例）

（1）汇编：将汇编代码转为目标文件
  • -c：只编译不链接。
  • -o start.o：输出目标文件。
  • -g：包含调试信息（可选）。
（2）链接：将目标文件链接到指定地址

i.MX6ULL 的启动地址通常为 0x87800000（需与芯片手册、Bootloader 匹配），因此链接时指定入口地址：

arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0x87800000 start.o -o start.elf
  • -Ttext 地址：指定代码段起始地址。
  • start.elf：输出可链接的 ELF 格式文件。
（3）格式转换：生成二进制镜像

开发板运行需要纯二进制文件，因此用objcopy转换格式：

arm-linux-gnueabihf-objcopy -O binary -S -g start.elf start.bin
  • -O binary：输出二进制格式。
  • -S：去除符号表。
  • -g：去除调试信息。
  • start.bin：最终可烧写的二进制文件。
（4）反汇编（可选）：查看汇编与机器码对应

为调试或学习，可将 ELF 文件反汇编为可读的汇编代码：

arm-linux-gnueabihf-objdump -D start.elf > start.dis

3. 烧写至 SD 卡

i.MX6ULL 支持从 SD 卡启动，需将start.bin烧写到 SD 卡的特定位置，借助正点原子的imxdownload工具实现：

（1）连接 SD 卡到 Ubuntu

将 SD 卡插入 USB 读卡器，连接到 Ubuntu 后，通过 ls /dev/sd* 确认 SD 卡设备名（如/dev/sdb）。

（2）赋予烧写工具权限

将imxdownload拷贝到工程目录，执行：

chmod +777 imxdownload
（3）烧写二进制文件
./imxdownload start.bin /dev/sdb
  • 若烧写速度异常（如上 MB/s），需重新拔插读卡器或重启 Ubuntu，确保 SD 卡被正确识别。

4. 开发板测试

（1）设置启动模式

通过开发板的拨码开关选择 “SD 卡启动”（参考底板原理图的 BOOT 模块说明）。

（2）启动开发板

插入烧写好的 SD 卡，给开发板上电，观察红色 LED 是否按代码逻辑亮灭，验证程序是否运行成功。

5. 命令说明

  • 执行 make：自动编译生成start.bin。
  • 执行 make clean：删除所有编译生成的文件，清理工程。
  • 执行 make load：自动调用imxdownload，将程序烧写到 SD 卡。
  • 板子需配置启动方式

 1、在LED实验中，在对Soc引脚配置时都做了哪些工作？

（1）引脚复用配置：选择 GPIO 功能

操作寄存器：IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03

将引脚的低 4 位设置为 0101，将引脚复用为 GPIO 功能

（2）电气特性配置：优化引脚驱动

操作寄存器：IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03

设置引脚的电气参数

（3）GPIO 方向配置：设为输出模式

GPIO 引脚的方向由 GPIOx_GDIR（GPIO 方向寄存器）控制。对于 GPIO1 组，寄存器为 GPIO1_GDIR。

将 GPIO1_GDIR 的第 3 位（对应 GPIO1_IO03）设为 1，表示 “输出模式”（0 为输入模式）。

2、什么是编译器、连接器、格式转换器和反汇编器？

1.编译器是将源代码转换为目标代码（机器语言指令）的工具

arm-linux-gnueabihf-gcc -c -g start.S -o start.o

  • -c：只编译不链接，生成目标文件（start.o）

  • -g：保留调试信息，方便后续调试

  • -o start.o：指定输出的目标文件名

2.链接器将多个目标文件（start.o）组合成一个完整的可执行文件（.elf文件），并分配内存地址

arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0x87800000 start.o -o start.elf

  • -Ttext 0x87800000：指定程序代码段（text 段）的起始地址（IMX6ULL 开发板的常用加载地址）

  • -o start.elf：指定输出的可执行文件名

3.格式转换器将一种文件格式（ELF 格式的start.elf）转换为另一种格式（二进制格式的start.bin）

arm-linux-gnueabihf-objcopy -O binary -S -g start.elf start.bin

  • -O binary：指定输出格式为纯二进制

  • -S：去除符号表和重定位信息

  • -g：去除调试信息

4.反汇编器将二进制可执行文件（start.elf）（类似于a.out) 反编译为可读的汇编代码（start.dis）

arm-linux-gnueabihf-objdump -D start.elf > start.dis

  • -D：对整个文件进行反汇编（包括所有段）

  • > start.dis：将反汇编结果输出到文本文件


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