I.MX6U 裸机开发2. 芯片简介、汇编基础及GPIO操作准备工作

I.MX6U 裸机开发2. 芯片简介、汇编基础及GPIO操作准备工作

• 一、I.MX6U 芯片介绍
• • 1. 基本介绍
  • 2. 架构图如下：
  • 3. I.MX6U 管脚定义规则 ：
• 二、GPIO资源介绍
• • 1. 原理图
  • 2. 寄存器控制
  • • (1) 使能时钟，CCGR0~CCGR7
    • (2) 设置引脚复用
    • (3) 设置电气属性
    • (4) 配置GPIO功能 ，设置输入输出
• 三、汇编介绍
• • 1. GNU 汇编语法介绍
  • 2. ARM Context-A7 常用的通用寄存器
  • • CPSR介绍
  • 3. Context-A处理器运行模式
  • 4. Cortext-A7常用汇编指令
  • • (1) 数据处理指令
    • (2) 数据传输指令(存储器访问)
    • (3) 分支指令
    • (4) 逻辑运算指令
    • (5) 移位指令
    • (6) 条件执行
    • (7) 出栈和入栈

一、I.MX6U 芯片介绍

1. 基本介绍

官网地址：
https://www.nxp.com/products/processors-and-microcontrollers/arm-processors/i-mx-applications-processors:IMX_HOME
点击：

根据其官网介绍：
i.MX 6ULL 是一个高能效且成本优化的应用处理器系列，采用单个 Arm Cortex-A7 内核的高级实现，运行速度高达 900 MHz。i.MX 6ULL 应用处理器包括一个集成的电源管理模块，可降低外部电源的复杂性并简化电源排序。该系列中的每个处理器都提供各种内存接口，包括 16 位 LPDDR2、DDR3、DDR3L、原始和托管 NAND 闪存、NOR 闪存、eMMC、Quad SPI 以及用于连接外围设备（如 WLAN、蓝牙、GPS、显示器和摄像头传感器）的各种其他接口。

2. 架构图如下：

基本情况如下：

• CPU采用ARM A7架构
• 一级缓存的ICache（Instruction Cache指令缓存）：32K
• 一级缓存的DCache（Data Cache数据缓存）：32K
• 二级缓存：128K
• NEON模块，用于ARM处理器的高级SIMD扩展，提供了加速多媒体和信号处理应用的能力
• 多媒体能力，如摄像头、可编程的处理单元等
• 24位并行CSI能力
• 24位并行LCD能力
• 扩展存储，支持NOR Flash，4线SPI Flash，16位的LP-DDR2/DDR3/DDR3L
• 外设支持eMMC,NAND,UART8,SPI4,PC4,88 Keypad,GPIO,I2S,FlexCAN*2,S/PDIF Tx/Rx,USB2 OTG w/PHY *2,网口，ESAI
• JTAG,PLL.OSC,RTC,Smart DMA, IOMUX,Timer4, PWM8,Watch Dog2,LDO,ADC2
• 内部存储 96KROM， 128KRAM

数据手册可以在官网下载，已放在本系列博文能应开源仓库。

比较重要的是应用参考手册，由于官网下载时需要填写一些资料，为防止版权问题，开源仓库没有放这个文档，可从官网自行下载 。

3. I.MX6U 管脚定义规则 ：

管脚定义示例：
IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_BOOT_MODE0
其名称为 PAD_BOOT_MODE0，MUX表示复用，可以在文档找到下图所示部分：

找到：IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_BOOT_MODE0章节里的复用功能说明。

在 IOMUXC_SNVS_SW_PAD_CTL_PAD_BOOT_MODE0 查看管脚的电气属性。

二、GPIO资源介绍

本章节为操作LED作一些准备工作。

1. 原理图

2. 寄存器控制

GPIO功能图：

开发板的LED0 接的GPIO3引脚，要对IO引脚初始化，需要以下步骤：

(1) 使能时钟，CCGR0~CCGR7

(2) 设置引脚复用

即将 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 bit3~0设置为0x0101。

(3) 设置电气属性

其中：

• bit0：SRE，压摆率（电平跳变速率），0是低压摆率，1是高压摆率。
• bit5~3：DSE，IO口作为输出时的驱动能力，驱动能力通常使用等效电阻来表示，在3.3V下，R0是260欧，1.8V下R0是150欧，接DDR时是240欧。

等效电阻表示了IO口在输出高电平或低电平时的驱动能力，较低的等效电阻意味着更强的驱动能力，可以提供更大的电流。

• bit7~6：SPEED速度
• bit11： ODE，1是开漏输出
• bit12：PKE，上拉保持 ，在输入引脚上连接一个上拉电阻。
• bit13：PUE，上拉使能
• bit15~14：PUS 上拉/下拉配置，可以选择上拉电阻的强度和配置
• bit16：Hyst. Enable，迟滞使能，滞后现象常见于比较器和施密特触发器等器件中。通过引入滞后，可以确保输出信号在输入信号达到一定阈值后才发生变化，并且在输入信号回到另一阈值之前不会恢复，从而避免输出信号的抖动。

(4) 配置GPIO功能 ，设置输入输出

相关的寄存器：

1. GPIOx_DR（Data Register）：用于读写 GPIO 引脚的电平状态。
2. GPIOx_GDIR（Direction Register）：用于设置 GPIO 引脚的方向（输入或输出）。
3. GPIOx_PSR（Pad Status Register）：用于读取 GPIO 引脚的当前状态。
4. GPIOx_ICR1/ICR2（Interrupt Configuration Registers）：用于配置 GPIO 引脚的中断触发方式。
5. GPIOx_IMR（Interrupt Mask Register）：用于使能或屏蔽 GPIO 引脚的中断。
6. GPIOx_ISR（Interrupt Status Register）：用于读取和清除 GPIO 引脚的中断状态。
7. GPIOx_EDGE_SEL（Edge Select Register）：用于选择 GPIO 引脚的边沿触发方式。

具体设置步骤：

1. GPIO1_DR的bit3设置为1，即输出模式；
2. GPIO1_DR的bit3设置为1，输出高电平；

三、汇编介绍

大部分Cortext-A芯片，上电时C语言的运行环境未准备好，需要使用汇编进行一些初始化工作。

1. GNU 汇编语法介绍

GNU 汇编（GAS，GNU Assembler）是 GNU 工具链的一部分，使用 AT&T 语法。以下是一些基本的 GNU 汇编语法介绍：

1. 指令格式：

   • 操作码在前，操作数在后。
   • 操作数用逗号分隔，源操作数在前，目标操作数在后。

2. 寄存器：

   • 寄存器名称以 % 开头，例如 ?x、?x。

3. 立即数：

   • 立即数以 $ 开头，例如 $5、$0x10。

4. 内存操作：

   • 内存地址用 () 表示，例如 (?x) 表示寄存器 ?x 指向的内存地址。

5. 注释：

   • 单行注释以 # 开头。

以下是一个简单的示例，展示了基本的 GNU 汇编语法：

.section .text
.global _start                   # 声明一个全局标号

_start:
    # 初始化堆栈指针
    ldr sp, =_stack_top

    # 初始化中断向量表
    ldr r0, =_vector_table
    ldr r1, =0x00000000
    str r0, [r1]

    # 清除 BSS 段
    ldr r0, =_bss_start
    ldr r1, =_bss_end
    mov r2, #0
clear_bss:
    cmp r0, r1
    strlo r2, [r0], #4
    blo clear_bss

    # 初始化数据段
    ldr r0, =_data_load
    ldr r1, =_data_start
    ldr r2, =_data_end
copy_data:
    cmp r1, r2
    ldrlo r3, [r0], #4
    strlo r3, [r1], #4
    blo copy_data

    # 跳转到 C 语言的 main 函数
    bl main

    # 死循环，防止返回
hang:
    b hang

.section .bss
_bss_start:
    .space 1024
_bss_end:

.section .data
_data_load:
    .word 0x12345678
_data_start:
    .space 4
_data_end:

.section .stack
_stack_top:
    .space 1024

.section .vector_table
_vector_table:
    .word _start

这个示例展示了如何使用 GNU 汇编语法编写一个简单的程序，该程序将 “Hello, World!” 消息写入标准输出并退出。

2. ARM Context-A7 常用的通用寄存器

• R0-R12：这些是通用寄存器，可以用于任意数据操作。
• R13 (SP)：堆栈指针寄存器，用于指向当前堆栈的顶部。
• R14 (LR)：链接寄存器，用于存储子程序调用的返回地址。
• R15 (PC)：程序计数器寄存器，用于存储当前指令的地址。
• CPSR：用于存储当前程序的状态信息。
• SPSR：用于保存异常处理时的程序状态（备份程序状态寄存器）。

CPSR介绍

CPSR（Current Program Status Register）是 ARM 处理器中的一个重要寄存器，用于存储当前程序的状态信息。CPSR 包含以下几个主要字段：

• N（Negative flag）: 表示上一次运算结果为负。
• Z（Zero flag）: 表示上一次运算结果为零。
• C（Carry flag）: 表示上一次运算产生了进位或借位。
• V（Overflow flag）: 表示上一次运算产生了溢出。
• Q（Saturation flag）: 表示饱和运算的状态。
• I（IRQ disable bit）: 用于屏蔽 IRQ 中断。
• F（FIQ disable bit）: 用于屏蔽 FIQ 中断。
• T（Thumb state bit）: 表示处理器是否在 Thumb 状态下运行。
• M[4:0]（Mode bits）: 表示当前处理器模式。

下面是使用 ARM 汇编指令读取和修改 CPSR的示例：

# 读取 CPSR 到通用寄存器 r0
MRS r0, CPSR

# 修改 CPSR 的模式位，将处理器切换到 Supervisor 模式
BIC r0, r0, #0x1F      # 清除模式位
ORR r0, r0, #0x13      # 设置模式位为 Supervisor 模式
MSR CPSR_c, r0         # 写回 CPSR

3. Context-A处理器运行模式

• Cortex-A 处理器支持多种处理器模式，每种模式用于不同的操作场景：
• User mode: 普通程序运行的模式。
• FIQ mode: 快速中断请求模式，用于处理高优先级中断。
• IRQ mode: 普通中断请求模式，用于处理一般中断。
• Supervisor mode: 操作系统内核运行的模式。
• Abort mode: 数据或指令访问失败时进入的模式。
• Undefined mode: 未定义指令异常时进入的模式。
• System mode: 特权模式，通常用于操作系统。
  不同运行模式下使用的寄存器有所不同，如下表所示：
  

4. Cortext-A7常用汇编指令

(1) 数据处理指令

MOV     r0, r1           # 将寄存器 r1 中的数据传递到寄存器 r0
MOV     r0, #1          # 将立即数 1 移动到寄存器 r0
ADD     r1, r0, r2      # 将 r0 和 r2 相加，结果存储在 r1 中
SUB     r3, r1, #4      # 将 r1 减去立即数 4，结果存储在 r3 中
MUL     r4, r2, r3      # 将 r2 和 r3 相乘，结果存储在 r4 中
MRS r0, CPSR        # 将当前程序状态寄存器 (CPSR) 的值移动到通用寄存器 r0
MSR CPSR, r1        # 将通用寄存器 r1 的值移动到当前程序状态寄存器 (CPSR)

(2) 数据传输指令(存储器访问)

LDR     r5, [r6]        # 从内存地址 r6 处加载数据到 r5
STR     r7, [r8]        # 将 r7 中的数据存储到内存地址 r8 处
LDMIA   r9!, {r0-r3}    # 从内存地址 r9 开始加载多个寄存器，地址递增
STMIA   r10!, {r4-r7}   # 将多个寄存器存储到内存地址 r10 开始，地址递增

LDR和STR按字操作（32bit），指令后面加B是按字节操作，加H是按半字操作。

(3) 分支指令

B       label              # 无条件跳转到 label
BL      subroutine    # 跳转到子程序 subroutine，并保存返回地址到链接寄存器 (LR)
BX      lr                  # 跳转到链接寄存器 (LR) 中的地址，通常用于从子程序返回
BEQ     label           # 如果上一次操作结果为零，则跳转到 label
BNE     label           # 如果上一次操作结果不为零，则跳转到 label

(4) 逻辑运算指令

AND     r0, r1, r2      # 将 r1 和 r2 进行按位与操作，结果存储在 r0 中
ORR     r3, r4, r5      # 将 r4 和 r5 进行按位或操作，结果存储在 r3 中
EOR     r6, r7, r8      # 将 r7 和 r8 进行按位异或操作，结果存储在 r6 中
BIC     r9, r10, r11    # 将 r10 和 r11 进行按位与非操作，结果存储在 r9 中

(5) 移位指令

LSL     r0, r1, #2      # 将 r1 左移 2 位，结果存储在 r0 中
LSR     r2, r3, #3      # 将 r3 右移 3 位，结果存储在 r2 中
ASR     r4, r5, #1      # 将 r5 算术右移 1 位，结果存储在 r4 中
ROR     r6, r7, #4      # 将 r7 循环右移 4 位，结果存储在 r6 中

(6) 条件执行

ADDEQ   r0, r1, r2      # 如果上一次操作结果为零，则将 r1 和 r2 相加，结果存储在 r0 中
SUBNE   r3, r4, r5      # 如果上一次操作结果不为零，则将 r4 和 r5 相减，结果存储在 r3 中

(7) 出栈和入栈

PUSH {r0, r1, r2}  # 将寄存器 r0, r1 和 r2 的内容保存到堆栈中
POP {r0, r1, r2}  # 从堆栈中恢复寄存器 r0, r1 和 r2 的内容