ARM架构——用汇编语言点亮 LED

一、开发环境与硬件基础

[1.1 IMX6ULL-Mini 开发板介绍](#1.1 IMX6ULL-Mini 开发板介绍)

[1.2.1 编译工具：gcc-linaro 交叉编译器](#1.2.1 编译工具：gcc-linaro 交叉编译器)

[1.2.2 代码编辑：Visual Studio Code](#1.2.2 代码编辑：Visual Studio Code)

[1.2.3 辅助工具](#1.2.3 辅助工具)

[二、LED 点亮的底层逻辑](#二、LED 点亮的底层逻辑)

[2.1 引脚配置三步骤](#2.1 引脚配置三步骤)

[2.1.1 复用功能配置（IOMUXC）](#2.1.1 复用功能配置（IOMUXC）)

[2.1.2 电气特性配置（IOMUXC）](#2.1.2 电气特性配置（IOMUXC）)

[2.1.3 引脚方向配置（GPIO）](#2.1.3 引脚方向配置（GPIO）)

[2.2 LED 开关逻辑](#2.2 LED 开关逻辑)

[2.3 LDR 与 STR 详解](#2.3 LDR 与 STR 详解)

[三、汇编代码实现 LED 闪烁](#三、汇编代码实现 LED 闪烁)

四、编译与烧写

[4.1 手动编译步骤](#4.1 手动编译步骤)

[4.2 Makefile 简化编译](#4.2 Makefile 简化编译)

[4.3 程序烧写与测试](#4.3 程序烧写与测试)

[4.3.1 SD 卡烧写](#4.3.1 SD 卡烧写)

[4.3.2 开发板测试](#4.3.2 开发板测试)

五、核心概念解答

一、开发环境与硬件基础

1.1 IMX6ULL-Mini 开发板介绍

IMX6ULL-Mini 开发板是由正点原子提供的, 搭载NXP生产i.MX6ULL的SOC, 主打高性能、低功耗与紧凑体积。整个开发板由核心板与底板组成，核心板通过双列直插方式与底板连接。
IMX6ULL-Mini 开发板

核心板：六层板
- **CPU：**NXP i.MX 6ULL Cortex-A7 单核处理器，主频 528MHz（工业级）或 800MHz（商业级）467, BGA 封装
- **内存：**512MB DDR3L RAM，支持高速数据存取。
- **存储：**8GB eMMC，支持多种启动模式（SD卡、NAND、eMMC）
- **屏幕：**4.3寸屏 800*480分辨率
底板
- 红色 led 灯提供用户可控的的 led 灯
- 蓝色 led 灯是电源指示灯
- 510 欧姆限流电阻作用防止电流过大保护灯珠。

1.2.1 编译工具：gcc-linaro 交叉编译器

拷贝 gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz 到 /usr/local/arm
解压 sudo tar -xvf gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz
删除 sudo rm gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz
配置回家目录，修改环境变量配置文件 vi .bashrc
- export PATH=$PATH:/usr/local/arm/gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/
重启虚拟机：reboot
检查编译器版本：arm-linux-gnueabihf-gcc -v

1.2.2 代码编辑：Visual Studio Code

安装Visual Studio Code
- 汇编高亮插件:Arm Assembly
创建工程文件夹 \IMX6ULL\led_asm
创建启动代码 start.S（注意大写S后缀，会进行预处理，后期用到一些宏）

1.2.3 辅助工具

烧写工具：imxdownload（IMX6ULL 专用 SD 卡烧写工具）
串口工具（可选）：用于调试输出，本次实验暂不涉及

二、LED 点亮的底层逻辑

IMX6ULL 的 LED 控制本质是GPIO 外设寄存器操作，需完成 3 步初始化 + 1 步运行时控制，核心依赖汇编的 LDR（读取寄存器）和 STR（写入寄存器）指令。

2.1 引脚配置三步骤

参考 IMX6ULL 参考手册和底板原理图，本次控制GPIO1_IO03 引脚（对应红色 LED）：

2.1.1 复用功能配置（IOMUXC）

GPIO 引脚默认可能不是 GPIO 功能，需通过复用寄存器配置为 GPIO 模式：

寄存器地址：IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 = 0x020C4068
配置值：低 4 位设为 0101（对应 GPIO 功能）

2.1.2 电气特性配置（IOMUXC）

设置引脚的驱动能力、上下拉等电气参数，避免信号不稳定：

寄存器地址：IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03（需查阅手册确认具体地址）
核心配置：根据 LED 驱动需求设置（如默认配置可满足基础点灯）

2.1.3 引脚方向配置（GPIO）

设置 GPIO 为输出模式（LED 需要主动输出高低电平）：

寄存器地址：GPIO1_GDIR（GPIO1 端口方向寄存器）
配置逻辑：对应位设为 1（输出），0 为输入；GPIO1_IO03 对应第 3 位，故设置GPIO1_GDIR |= (1<<3)

2.2 LED 开关逻辑

LED 灯珠采用低电平点亮（原理图设计），通过 GPIO 数据寄存器控制：

寄存器地址：GPIO1_DR（GPIO1 端口数据寄存器）
点亮：对应位设为 0（GPIO1_DR &= ~(1<<3)）
熄灭：对应位设为 1（GPIO1_DR |= (1<<3)）

2.3 LDR 与 STR 详解

指令	功能	示例
LDR <Rt>, =<addr>	将寄存器地址加载到目标寄存器 Rt	ldr r0, =0x020C4068（r0 = 复用寄存器地址）
STR <Rt>, [<Rn>]	将 Rt 的值写入 Rn 指向的内存地址（寄存器）	str r1, [r0]（将 r1 的值写入 r0 指向的复用寄存器）

三、汇编代码实现 LED 闪烁

要实现闪烁，需在 "点亮 - 延时 - 熄灭 - 延时" 之间循环，延时通过汇编空指令实现（利用 CPU 执行指令的时间差）：

复制代码

.global _start

; ==============================================
; ARM异常向量表 (Exception Vector Table)
; ARM架构规定从0x00000000开始的32字节为异常向量表
; 每个异常占4字节，依次对应8种异常类型
; ==============================================
_start:
    ldr pc, =_reset_handler
    ldr pc, =_undef_handler
    ldr pc, =_software_handler
    ldr pc, =_prefect_handler
    ldr pc, =_data_abort_handler
    nop
    ldr pc, =_irq_handler
    ldr pc, =_fiq_handler

; ==============================================
; 异常处理函数（默认原地死循环，防止异常逃逸）
; 新手阶段暂不处理具体异常，仅做兜底
; ==============================================
_undef_handler:
    b _undef_handler

_software_handler:
    b _software_handler

_prefect_handler:
    b _prefect_handler

_data_abort_handler:
    b _data_abort_handler

_irq_handler:
    b _irq_handler

_fiq_handler:
    b _fiq_handler

; ==============================================
; 复位处理函数（系统上电/复位后第一个执行的核心函数）
; ==============================================
_reset_handler:

    cpsid i                 ; 失能irq
    cps #0x12
    ldr sp, =0x82000000
    cps #0x1F

    ldr sp, =0x84000000  
    cpsie i                 ; 使能irq

    bl led_init

; ==============================================
; 主循环：LED闪烁逻辑
; ==============================================
finish:
    bl led_on
    bl led_delay
    bl led_off
    bl led_delay
    b finish

; ==============================================
; LED初始化函数：配置GPIO引脚（以IMX6ULL为例）
; 步骤：1.复用功能 2.配置电气特性 3.设置引脚为输出
; ==============================================
led_init:
    ; 复用功能
    ldr r0, =0x020E0068
    ldr r1, [r0]
    bic r1, r1, #0x1F
    orr r1, r1, #0x05
    str r1, [r0]

    ; 电气特性
    ldr r0, =0x020E02F4
    ldr r2, =0x10B0
    str r2, [r0]

    ; 引脚方向
    ldr r0, =0x0209C004
    ldr r1, [r0]
    orr r1, r1, #(1 << 3)
    str r1, [r0]
    bx lr

; ==============================================
; LED点亮函数：拉低GPIO1_IO03引脚（低电平点亮）
; ==============================================
led_on:
    ldr r0, =0x0209C000
    ldr r1, [r0]
    bic r1, r1, #(1 << 3)
    str r1, [r0]  
    bx lr

; ==============================================
; LED熄灭函数：拉高GPIO1_IO03引脚（高电平熄灭）
; ==============================================
led_off:
    ldr r0, =0x0209C000
    ldr r1, [r0]
    orr r1, r1, #(1 << 3)
    str r1, [r0]  
    bx lr

; ==============================================
; 简单延时函数：通过循环递减实现延时
; ==============================================
led_delay:
    ldr r0, =0x7FFFF
loop:
    cmp r0, #0
    ble fin 
    sub r0, r0, #1
    b loop
fin:
    bx lr

四、编译与烧写

4.1 手动编译步骤

执行以下命令：

（1）汇编：将.S 文件转为目标文件（.o）

bash 复制代码

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

-c：只汇编不链接
-o：指定输出文件
-g：保留调试信息

**（2）链接：**将目标文件链接到指定地址（IMX6ULL 的 SD 卡启动地址为 0x87800000）

bash 复制代码

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

-Ttext：指定代码段起始地址

（3）格式转换：将 ELF 文件转为开发板可执行的二进制文件（.bin）

bash 复制代码

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

-O binary：输出二进制格式
-S：去除符号信息
-g：去除调试信息

（4）反汇编（可选）：将 ELF 文件转为汇编代码（用于调试）

bash 复制代码

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

4.2 Makefile 简化编译

bash 复制代码

# 定义工具链变量，简化后续命令
COMPILER = arm-linux-gnueabihf-
CC = $(COMPILER)gcc
LD = $(COMPILER)ld
OBJCOPY = $(COMPILER)objcopy
OBJDUMP = $(COMPILER)objdump

# 目标：最终生成的二进制文件
start.bin : start.S
	$(CC) -c start.S -o start.o -g          # 汇编
	$(LD) -Ttext 0x87800000 start.o -o start.elf  # 链接
	$(OBJCOPY) -O binary -S -g start.elf start.bin  # 格式转换
	$(OBJDUMP) -D start.elf > start.dis     # 反汇编（可选）

# 伪目标：清理编译产物
clean:
	rm -f start.o start.elf start.bin start.dis

# 伪目标：烧写程序到SD卡
load:
	./imxdownload start.bin /dev/sdb

使用方法：

编译：make（一键生成 start.bin）
清理：make clean（删除所有编译产物）
烧写：make load（需提前将 imxdownload 工具拷贝到工程目录并添加执行权限：chmod +777 imxdownload）

4.3 程序烧写与测试

4.3.1 SD 卡烧写

将 SD 卡插入 Ubuntu 虚拟机（通过 USB 读卡器）
查看 SD 卡设备名：ls /dev/sdb（通常为 sdb，需确认无其他存储设备冲突）
执行烧写命令：./imxdownload start.bin /dev/sdb

**注意：**烧写速率需为 KB 级，若显示 MB 级速率则失败，需拔掉读卡器重启 Ubuntu 后重试

4.3.2 开发板测试

选择启动模式：通过开发板上的拨码开关选择 SD 卡启动（参考开发板原理图）
插入烧写好的 SD 卡到开发板 TF 卡槽
上电测试：
- 确保开发板电源开关弹起，插入电源适配器
- 按下蓝色电源开关，观察蓝色电源灯亮起
- 红色 LED 周期性闪烁

熄灭状态点亮状态

五、核心概念解答

1. 在 LED 实验中，在对 SOC 引脚配置时都做了哪些工作？

复用功能配置：将引脚从默认功能切换为 GPIO 功能；
电气特性配置：设置引脚驱动能力、上下拉等，保证信号稳定；
GPIO 方向配置：设置为输出模式，使引脚能主动输出高低电平。

2. 什么是编译器、连接器、格式转换器和反汇编器？

编译器（gcc）：将汇编源文件（.S）转为目标文件（.o），进行语法检查和指令翻译；
链接器（ld）：将目标文件链接到指定内存地址，解决符号引用（如程序入口 _start）；
格式转换器（objcopy）：将 ELF 文件（包含调试 / 符号信息）转为开发板可直接执行的二进制文件（.bin）；
反汇编器（objdump）：将 ELF 文件转回汇编代码，用于调试（验证指令是否正确翻译）。