ARM学习笔记（三）——i.MX6ULL—LED点灯

一、i.MX6ULL开发板介绍

今天开始从 ARM 内核理论逐渐进入到 i.MX6ULL 裸机开发，主要学习如何在开发板上通过 ARM 汇编程序控制硬件。

使用的开发板为 IMX6ULL-Mini 开发板，核心处理器为 NXP 的 i.MX6ULL。

开发板的基本组成：

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IMX6ULL-Mini开发板
│
├── 核心板
│   ├── CPU
│   ├── DDR3L RAM
│   └── eMMC
│
└── 底板
    ├── LED
    ├── GPIO
    ├── UART
    ├── PWM
    └── 其他外设

二、i.MX6ULL核心板

i.MX6ULL 采用：

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CPU：NXP i.MX6ULL
架构：ARM
内核：Cortex-A7

主要参数：

Cortex-A7 单核处理器；
主频为 528MHz（工业级）或 800MHz（商业级）；
BGA 封装；
512MB DDR3L RAM；
8GB eMMC；
支持 SD 卡、NAND、eMMC 等启动方式。

因此：

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Cortex-A7 → ARM处理器内核
i.MX6ULL → NXP生产的SoC
IMX6ULL-Mini → 开发板

三、开发板底板上的LED

今天主要观察和使用了开发板上的 LED 模块。

底板上有：

1. 红色LED

红色 LED 是用户可以控制的 LED，可以通过程序控制其亮灭。

2. 蓝色LED

蓝色 LED 是电源指示灯，用于表示开发板是否正常供电。

3. 510Ω限流电阻

LED 前串联了一个 510Ω 电阻。

主要作用：

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限制电流
   ↓
防止LED电流过大
   ↓
保护LED灯珠

四、开发环境搭建

今天使用 Visual Studio Code 进行代码编写。

1. 安装VS Code

VS Code 可以用于：

编写 ARM 汇编程序；
编写启动代码；
编写 Makefile；
查看程序源码。

为了方便编写汇编代码，可以安装：

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Arm Assembly

插件，实现 ARM 汇编代码高亮。

2. 创建工程目录

创建 ARM 裸机工程：

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D:\IMX6ULL\led_asm

工程主要用于完成 LED 点亮实验。

五、启动代码start.S

ARM 裸机程序启动时，需要首先执行启动代码。

创建：

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start.S

这里需要注意：

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.S

是大写的 S。

大写 .S 文件会经过预处理，因此后续可以使用一些宏定义等功能。

1. 设置程序入口

启动代码中使用：

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.global _start

将 _start 声明为全局符号。

因此：

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_start
   ↓
程序启动入口

处理器启动后从程序入口开始执行。

六、i.MX6ULL内存空间

当前学习中涉及的 ROM 地址空间：

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0x8000 0000

大小：

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512MB

可以理解为：

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ROM起始地址
      ↓
0x8000 0000
      ↓
程序运行空间

裸机程序最终需要被放置到处理器能够访问的指定地址空间中。

七、CPS指令

启动代码中需要设置 ARM 处理器的工作状态，因此学习了 CPS 指令。

基本格式：

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CPS<effect> <iflags>{, #<mode>}

也可以写成：

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CPS #<mode>

1. 禁止中断

例如：

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cpsid i

其中：

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i → IRQ中断
f → FIQ中断
a → 异常相关控制

cpsid i 可以用于禁止 IRQ。

2. 设置处理器模式

例如：

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cps #0x12

以及：

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cps #0x1F

通过修改处理器的工作模式，可以为不同模式设置相应的运行环境。

3. 设置栈指针

例如：

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ldr sp, =0x820000000

以及：

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ldr sp, =0x840000000

通过 LDR 将指定地址加载到 SP，完成栈指针初始化。

4. 开启中断

例如：

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cpsie i

表示重新允许 IRQ。

因此，启动代码中可以形成：

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禁止中断
   ↓
设置工作模式
   ↓
初始化SP
   ↓
完成系统基本初始化
   ↓
开启中断

八、点亮LED需要完成哪些工作

要通过程序控制 i.MX6ULL 的 LED，不能直接对 LED 写数据。

首先需要对 GPIO 对应的 SOC 引脚进行配置。

主要包括三个方面：

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GPIO引脚初始化
│
├── ① 复用功能配置
├── ② 电气特性配置
└── ③ GPIO方向配置

之后才能通过 GPIO 数据寄存器控制 LED。

九、IOMUXC复用功能配置

i.MX6ULL 的一个引脚可能具有多个功能。

因此使用 GPIO 前，需要首先设置该引脚的复用功能。

对应模块：

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IOMUXC

即：

IOMUX Controller

LED 使用的引脚为：

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GPIO1_IO03

对应的复用寄存器：

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IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03

需要设置该寄存器的低四位：

复制代码

通过复用功能配置，将对应引脚设置为 GPIO 功能。

十、电气特性配置

除了选择引脚功能之外，还需要设置引脚的电气特性。

对应寄存器：

复制代码

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03

该寄存器用于配置 GPIO 引脚相关的电气属性。

因此 GPIO 初始化不仅包括：

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功能复用

还包括：

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电气特性

十一、GPIO方向配置

完成引脚复用和电气特性配置后，还需要设置 GPIO 的输入输出方向。

对应模块：

复制代码

GPIO

方向寄存器：

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GPIOx_GDIR

主要作用：

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设置GPIO为输入
或者
设置GPIO为输出

LED 需要由处理器输出控制信号，因此需要将对应 GPIO 设置为输出。

十二、GPIO数据寄存器

完成 GPIO 初始化后，程序运行过程中通过 GPIO 数据寄存器控制 LED。

对应寄存器：

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GPIOx_DR

即：

GPIO Data Register

因此：

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GPIOx_GDIR
    ↓
设置GPIO输入/输出方向

GPIOx_DR
    ↓
运行过程中控制GPIO输出数据

十三、LED控制的整体流程

今天的 LED 实验可以总结为：

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处理器启动
    ↓
执行start.S
    ↓
初始化GPIO引脚
    ↓
设置IOMUXC复用功能
    ↓
设置引脚电气特性
    ↓
设置GPIO方向
    ↓
设置GPIO数据
    ↓
LED亮/灭

因此，对一个 SOC 外设进行操作，首先需要找到对应的：

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1. 引脚
2. 复用寄存器
3. 电气特性寄存器
4. GPIO方向寄存器
5. GPIO数据寄存器

十四、LDR指令访问外设寄存器

ARM 汇编中可以使用 LDR 获取寄存器地址或读取内存中的数据。

常见形式：

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LDR Rt, [Rn]

还可以带有立即数偏移：

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LDR Rt, [Rn, #+/-imm12]

例如：

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LDR r0, =0x020C4068

表示将：

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0x020C4068

加载到 r0。

十五、STR指令修改外设寄存器

STR 用于将寄存器中的数据写入内存地址。

例如：

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ldr r0, =0x020C4068
ldr r1, =0xFFFFFFFF
str r1, [r0]

执行过程：

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r0 = 0x020C4068
       ↓
作为目标地址

r1 = 0xFFFFFFFF
       ↓
作为写入数据

str r1, [r0]
       ↓
将0xFFFFFFFF写入0x020C4068

因此：

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LDR → 读取/加载
STR → 写入/存储

对于 SOC 外设来说，本质上就是通过这些寄存器访问指令修改外设寄存器。

十六、ARM交叉编译器

由于开发环境通常是：

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Ubuntu PC

而最终程序运行在：

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ARM Cortex-A7

所以需要使用 ARM 交叉编译器。

使用：

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arm-linux-gnueabihf-gcc

进行 ARM 程序编译。

十七、安装ARM交叉编译器

交叉编译器：

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gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

安装到：

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/usr/local/arm

解压：

复制代码

sudo tar -xvf gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

删除压缩包：

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sudo rm gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

十八、配置环境变量

进入用户主目录：

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vi .bashrc

添加：

复制代码

export PATH=$PATH:/usr/local/arm/gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/

之后重新启动虚拟机：

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reboot

检查交叉编译器：

复制代码

arm-linux-gnueabihf-gcc -v

如果能够正常显示版本信息，说明交叉编译器配置成功。

十九、FileZilla文件传输工具

还学习了 FileZilla Client。

FileZilla 是 Windows 下的 FTP 文件传输工具，可以用于：

复制代码

Windows
   ↕
Ubuntu

之间传输代码文件。

如果需要手动配置 Ubuntu FTP 服务，可以安装：

复制代码

sudo apt-get install vsftpd

修改：

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/etc/vsftpd.conf

确保：

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local_enable=YES
write_enable=YES

然后重启服务：

复制代码

sudo /etc/init.d/vsftpd restart

查看服务状态：

复制代码

sudo /etc/init.d/vsftpd status

二十、ARM裸机程序编译流程

今天学习了 ARM 裸机程序从源代码到最终二进制文件的完整过程。

整体流程：

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start.S
  ↓
gcc
  ↓
start.o
  ↓
ld
  ↓
start.elf
  ↓
objcopy
  ↓
start.bin
  ↓
烧写到SD卡
  ↓
开发板运行

二十一、使用gcc进行汇编

命令：

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

其中：

复制代码

-c

表示只进行编译/汇编，不进行链接。

生成：

复制代码

start.o

二十二、使用ld进行链接

命令：

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

作用是：

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start.o
  ↓
链接
  ↓
start.elf

其中：

复制代码

-Ttext 0x87800000

用于指定代码段的链接地址。

二十三、使用objcopy进行格式转换

命令：

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

作用：

复制代码

start.elf
    ↓
格式转换
    ↓
start.bin

其中：

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-O binary

表示输出为二进制格式。

start.bin 是后续烧写到 SD 卡中的主要程序文件。

二十四、使用objdump反汇编

命令：

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

作用：

复制代码

start.elf
   ↓
反汇编
   ↓
start.dis

反汇编主要用于：

复制代码

查看程序中的机器指令
分析程序执行过程
检查编译、链接结果

它不是烧写程序运行所必须的步骤，主要用于分析和阅读程序。

二十五、编译工具总结

今天接触了四个重要工具：

工具	作用	主要输出
gcc	编译/汇编	`.o`
ld	链接	`.elf`
objcopy	格式转换	`.bin`
objdump	反汇编	`.dis`

完整过程：

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.S
 ↓ gcc
.o
 ↓ ld
.elf
 ↓ objcopy
.bin

二十六、将程序烧写到TF卡

首先将 SD 卡连接到 Ubuntu。

查看设备：

复制代码

ls /dev/sdb

确认 SD 卡设备为：

复制代码

/dev/sdb

然后将下载工具：

复制代码

imxdownload

拷贝到 Ubuntu 工程目录。

修改执行权限：

复制代码

chmod +777 imxdownload

然后执行：

复制代码

./imxdownload start.bin /dev/sdb

将程序烧写到 SD 卡。

二十七、程序烧写注意事项

烧写过程中需要注意烧写速度。

如果烧写速度出现异常，例如速度过快导致烧写失败，需要：

复制代码

拔掉USB读卡器
    ↓
重新启动Ubuntu
    ↓
重新连接SD卡
    ↓
再次烧写

二十八、开发板启动方式

i.MX6ULL 支持多种启动方式。

例如：

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USB启动
SD卡启动
板载eMMC启动
NAND Flash启动

开发板通过 BOOT 模块的拨码开关选择启动方式。

本次 LED 实验选择：

复制代码

SD卡启动

二十九、LED实验测试流程

烧写完成后：

复制代码

1. 选择SD卡启动模式
       ↓
2. 插入TF卡
       ↓
3. 给开发板上电
       ↓
4. 观察蓝色电源指示灯
       ↓
5. 观察红色LED

如果程序正确运行，就可以观察到 LED 的控制效果。

三十、LED闪烁练习

在完成 LED 点亮之后，可以进一步修改汇编程序，实现 LED 闪烁。

基本思路：

复制代码

LED亮
 ↓
延时
 ↓
LED灭
 ↓
延时
 ↓
重新循环

程序结构：

复制代码

初始化GPIO
    ↓
设置LED亮
    ↓
延时函数
    ↓
设置LED灭
    ↓
延时函数
    ↓
循环

因此，LED 闪烁实际上是在 LED 亮灭控制的基础上增加了一个延时函数。

三十一、Makefile

如果每次都手动输入：

复制代码

gcc ...
ld ...
objcopy ...
objdump ...

会比较繁琐。

因此今天学习了使用 Makefile 简化编译过程。

Makefile 可以自动完成：

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编译
 ↓
链接
 ↓
格式转换
 ↓
反汇编

三十二、Makefile三要素

Makefile 最基本的结构：

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目标：依赖
    规则

例如：

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start.bin : start.S
	arm-linux-gnueabihf-gcc -c start.S -o start.o -g
	arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0x87800000 start.o -o start.elf
	arm-linux-gnueabihf-objcopy -O binary -S -g start.elf start.bin
	arm-linux-gnueabihf-objdump -D start.elf > start.dis

这里：

复制代码

目标：
start.bin

依赖：
start.S

规则：
gcc
ld
objcopy
objdump

三十三、clean伪目标

Makefile 中可以定义：

复制代码

clean:
	rm start.o start.elf start.bin start.dis -f

执行：

复制代码

make clean

即可删除编译生成的文件。

包括：

复制代码

start.o
start.elf
start.bin
start.dis

这样就可以快速清理工程。

三十四、load伪目标

还可以定义：

复制代码

load:
	./imxdownload start.bin /dev/sdb

这样执行：

复制代码

make load

就可以自动执行：

复制代码

./imxdownload start.bin /dev/sdb

完成程序烧写。

三十五、使用变量优化Makefile

为了避免重复书写：

复制代码

arm-linux-gnueabihf-

可以使用变量。

例如：

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COMPLITER = arm-linux-gnueabihf-

CC = $(COMPLITER)gcc
LD = $(COMPLITER)ld
OBJCOPY = $(COMPLITER)objcopy
OBJDUMP = $(COMPLITER)objdump

之后使用：

复制代码

start.bin : start.S
	$(CC) -c start.S -o start.o -g
	$(LD) -Ttext 0x87800000 start.o -o start.elf
	$(OBJCOPY) -O binary -S -g start.elf start.bin
	$(OBJDUMP) -D start.elf > start.dis

这样可以使 Makefile 更简洁，也方便以后更换编译工具。

三十六、今天的完整开发流程

今天学习的整个过程可以总结成：

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① 创建工程
      ↓
② 编写start.S
      ↓
③ 初始化ARM启动环境
      ↓
④ 配置IOMUXC
      ↓
⑤ 配置GPIO方向
      ↓
⑥ 配置GPIO数据
      ↓
⑦ 完成LED控制
      ↓
⑧ 使用交叉编译器
      ↓
⑨ 生成start.o
      ↓
⑩ 链接生成start.elf
      ↓
⑪ 转换生成start.bin
      ↓
⑫ 反汇编生成start.dis
      ↓
⑬ 烧写start.bin到SD卡
      ↓
⑭ 开发板SD卡启动
      ↓
⑮ 观察LED运行结果