ARM9学习笔记之——MiniOS
1. 概述
最近，我花了大量的时间学习了杨铸老师写的《深入浅出嵌入式底层软件开发》，看完了ARM体系结构与编程这一章。在这章节的最后，作者做了一个用于总结 前面所学内容的操作系统MiniOS，并附带了其中的源代码。我认真学习了其中的所有代码，悟到了其中非常巧妙的构思。
读这个MiniOS源代码我遇到了最大的几个问题如下：
（1）系统是怎么启动的？
（2）开启了MMU后，虚拟地址是怎么映射上物理地址上的？
（3）系统是怎么开启MMU的，为什么开启了MMU内存地址重映射之后程序还能正常运行？
（4）main( ) 函数是怎么变成task0的？
（5）任务之间是怎么切换的？
（6）任务中怎么被创建，并运行起来的？
上述这几个问题都是很细微，但又很难搞清楚的核心知识。笔者在此把自己悟到的东西分享出来，供大家参考。
其它，如：系统函数调用、任务调度机制、LED、UART、按键怎么实现，不做过多研究。
2. 详细内容
2.1 系统是怎么启动的？
首先说明，书上提供的MiniOS工程编译后的运行地址为
0x33FF0000，不是 0x00000000，这点很重要。
-info totals -ro-base 0x33ff0000 -first start.o
而程序编译完成后，生成了bin文件将被烧录到NorFlash的
0x00000000 地址上，也就很重要！
ARM复位后，PC从NorFlash的0x00000000地址上取提，也就是”b Reset“，之后跳到Reset标号上继续执行。代码如下：
AREA Start, CODE, READONLY
ENTRY ; 代码段开始
b Reset
……
Reset ; Reset异常处理符号
bl clock_init ; 跳往时钟初始化处理
bl mem_init ; 跳往内存初始化处理
ldr sp, =SVC_STACK ; 设置管理模式栈指针，common_asm.h中定义
bl disable_watch_dog ; 关闭看门狗之后所有的跳转都是用到b或bl，进行相对跳转。再跳转也是以PC为起始，相对位置跳转，不会受运行地址的影响。
初始化了时钟、SDRAM、关闭看门狗、设置sp。有人可能会问：为什么在进行了bl之后再设置栈指针？其实，哪里设置都无所谓，因为bl指令返回地址只保存在LR寄存器中，不放在栈里。SP被设置成了0x33FF0000，向下扩展，将来还会提及。
然后初始化SDRAM（如果不初始化，SDRAM是不能使用的），将程序自己从0x00000000地址复制一份到0x33FF0000地址上。然后再来一个绝对地址跳转，转到0x33FF0000地址域上的xmain地址处继续执行。如下：
copy_code ; 代码拷贝开始符号
mov r0, #0x0 ; R0中为数据开始地址 (ROM数据保存在0地址开始处)
ldr r1, =|Image$$RO$$Base| ; R1中存放RO输出域运行地址，
ldr r2, =|Image$$ZI$$Limit| ; R2中存放ZI输出域结束地址，
sub r2, r2, r1 ; R2 = R2 - R1，得出待拷贝数据长度
bl CopyCode2Ram ; 将R0,R1,R2三个参数传递给CopyCode2Ram函数执行拷贝
ldr r0, =|Image$$ZI$$Base|
ldr r1, =|Image$$ZI$$Limit|
bl clear_bss_region
bl stack_init ; 跳往栈初始化代码处
msr cpsr_c, #0x5f ; 开启系统中断，进入系统模式
ldr lr, =halt_loop ; 设置返回地址
ldr pc, =xmain ; 跳往main函数，进入OS启动处理
halt_loop
b halt_loop ; 死循环在执行了”ldr pc, =xmain“这条指令之后，PC就指向了SDRAM的0x33FF0000地址区域上了，不再是NorFlash上了，从此达到了运行地址与加载地址的统一。谨记！
xmain()函数定议在main.c文件中。
int xmain(void)
{
pgtb_init(); // 建立页表
mmu_init(); // mmu初始化
uart_init(); // 串口初始化
irq_init(); // 中断初始化
Timer0_init(); // 定时器0初始化
key_init(); // 按键初始化
led_init(); // led灯初始化
}2.2 开启了MMU后，虚拟地址是怎么映射上物理地址上的？
在xmain函数中，pgtb_init() 函数的功能就是构建页表，TTB=0x300F0000。void pgtb_init()
{
unsigned long entry_index, SFR_base;
/* 建立到Norflash的2MB的地址空间的映射 */
/* 0xA0000000 映射到0开始的1MB地址空间 */
*( mmu_tlb_base + (0xA0000000 >> 20) ) = 0x0 | SEC_DESC;
/* 0xA0100000 映射到0x100000~0x1FFFFF的1MB地址空间 */
*( mmu_tlb_base + (0xA0100000 >> 20) ) = 0x100000 | SEC_DESC;
/* 令0x30000000~0x34000000的64MB虚拟地址等于物理地址空间，方便miniOS内部进程管理 */
for(entry_index = 0x30000000; entry_index < 0x34000000; entry_index += 0x100000) {
*( mmu_tlb_base + (entry_index >> 20) ) = entry_index | SEC_DESC;
}
/* 特殊功能寄存器0x48000000~0x60000000地址空间映射到0xC8000000~0xE0000000虚拟地址空间 */
for(entry_index = 0x48000000 + 0x80000000, SFR_base = 0x48000000;
SFR_base < 0x60000000 ; entry_index += 0x100000, SFR_base += 0x100000 ){
*(mmu_tlb_base+(entry_index>>20)) = SFR_base | SEC_DESC;
}
/*
* 进程1-23号进程地址空间，每个进程32MB，miniOS允许进程使用32MB虚拟地址空间，但是只分配其1MB的实际物理空间
* 进程1：物理地址空间 0x30100000-0x301fffff，对应MVA（修正虚拟地址，进程PID<<25形成）
* MVA地址空间：0x02000000-0x021fffff
* 进程2：物理地址空间 0x30200000-0x302fffff
* MVA地址空间：0x04000000-0x041fffff
* ... ... ...
* 进程23：物理地址空间 0x31700000-0x317fffff
* MVA地址空间：0x2E000000-0x2E1fffff
* 对应进程24由于MVA地址空间是0x30000000是物理内存起始空间，该空间用来放置页表，并且前面已经用该
* 地址空间做了映射，因此它不能被映射成，24号进程的物理地址空间，跳过该进程号24，同样道理，
* 跳过进程号25
* 进程24：物理地址空间 0x31800000-0x318fffff
* MVA地址空间：0x30000000-0x31ffffff
* 进程25：物理地址空间 0x31900000-0x319fffff
* MVA地址空间：0x32000000-0x33ffffff
*/
for(entry_index = 1; entry_index < 24; entry_index++){
*(mmu_tlb_base+((entry_index*0x02000000)>>20)) = (entry_index*0x00100000+SDRAM_BASE) | SEC_DESC;
}
/*
* 进程26：物理地址空间 0x31A00000-0x31Afffff
* MVA地址空间：0x34000000-0x35ffffff
* ... ... ...
* 进程62：物理地址空间 0x33E00000-0x33Efffff
* MVA地址空间：0xC4000000-0xC5ffffff
*/
for(entry_index = 26; entry_index < TASK_SZ; entry_index++){
*(mmu_tlb_base+((entry_index*0x02000000)>>20)) = (entry_index*0x00100000+SDRAM_BASE) | SEC_DESC;
}
/*
* 异常向量表
* 0xFFFF0000为高地址异常向量表，可以通常设置CP15，C1寄存器V位，当异常产生时，由硬件自动去0xFFFF0000
* 地址处执行异常跳转执行，而不是之前的0地址处异常向量表跳转，我们将该虚拟地址映射到0x33F00000这1MB地址
* 空间，同样，将全部miniOS代码拷贝到这1MB地址空间来。
*/
*(mmu_tlb_base + (0xffff0000>>20)) = ((VECTORS_PHY_BASE) | SEC_DESC);
}完成之后，虚拟地址映射如下：
访问0x33FF0000~0x33FFFFFF 与 0xFFF00000~0xFFFFFFFF地址是同一块物理内存空间。
0xA0000000~0xA01FFFFF地址指向0x00000000~0x001FFFFF，NorFlash物理空间。
2.3 系统是怎么开启MMU的，为什么开启了MMU内存地址重映射之后程序还能正常运行？
在开启MMU之前，数据访问是直接访问物理地址。但是开启了MMU后，所有的地址访问都需要通过一次虚拟地址转换。同样一个地址并不一定提向的同一个数据内间。
那在mmu_init()函数开启MMU之后出现什么样的反应呢？
void mmu_init()
{
unsigned long ttb = MMU_TABLE_BASE;
/* reg1待清除位 */
int reg0, reg1 = (VECTOR | ICACHE | R_S_BIT | ENDIAN | DCACHE | ALIGN | MMU_ON);
/* CP15,C1设置位：异常向量表设置在高地址，使用ICACHE，系统采用小端模式，
使用DCACHE， 使用地址对齐检查，开启MMU */
int CP15_C1_set = (VECTOR | ICACHE | DCACHE | ALIGN | MMU_ON);
__asm{
mov reg0, #0
/* 使ICaches和DCaches无效 */
mcr p15, 0, reg0, c7, c7, 0
/* 使能写入缓冲器 */
mcr p15, 0, reg0, c7, c10, 4
/* 使指令，数据TLB无效无效 */
mcr p15, 0, reg0, c8, c7, 0
/* 页表基址写入C2 */
mcr p15, 0, ttb, c2, c0, 0
/* 将0x2取反变成0xFFFFFFFD，Domain0 = 0b01为用户模式，其它域为0b11管理模式 */
mvn reg0, #0x2
/* 写入域控制信息 */
mcr p15, 0, reg0, c3, c0, 0
/* 取出C1寄存器中值给reg0 */
mrc p15, 0, reg0, c1, c0, 0
/* 先清除不需要的功能，现开启 */
bic reg0, reg0, reg1
/* 设置相关位并开启MMU */
orr reg0, reg0, CP15_C1_set
mcr p15, 0, reg0, c1, c0, 0
}
//DPRINTK(KERNEL_DEBUG, "Mmu init OK");
}刚开始，我在看上面代码的时候，我在想。这个一开启MMU之后，这个函数还能正常返回吗？原来MMU在启时前保存的返回地址（物理地址），在MMU开启后这个地址（虚拟地址）对应的还是原来的物理地址吗？除非一种情况： 虚拟地址与物理地址一致。
上述代码为初始化MMU的函数，当在执行完”
mcr p15, 0, reg0, c1, c0, 0“ 指令之后，MMU被开启了。所有的地址访问都要经过MMU转换成物理地址才能访问。而mmu_init()此时运行在SDRAM中0x33FF0000地 址域上。由2.2节图中所示，0x30000000~0x33FFFFFF地址空间上的虚拟地址与物理地址是对应的。也就是说，虚拟地址==物理地址。
所以，程序能够正常执行。
2.4 main( ) 函数是怎么变成task0的？
OSCreateProcess（）函数所创建任务的ID号从1开始计数。至于任务0，就是xmain（）函数自己。
xmain()自己怎么跑到task0的位置上去坐着的呢？看main.c代码：
int xmain(void)
{
// PC=0x33FF???? , SP=0x33FF0000 , MMU=关
pgtb_init(); // 建立页表
mmu_init(); // mmu初始化
// PC=0x33FF???? , SP=0x33FF0000 , MMU=开
// 对UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY进行初始化
OS_ENTER_CRITICAL(); // 关闭中断，准备进入进程初始化函数
sched_init(); // 进程调度初始化
OS_EXIT_CRITICAL(); // 开启中断
ENTER_USR_MODE(); // 进入用户模式
// 进程0执行内容
while(1){
DPRINTK(KERNEL_DEBUG,"kernel:process 0");
printk("process 0, idle");
wait(1000000);
}
return 0;
}执行到 xmain 函数时，PC地址是在 SDRAM 的 0x33FF???? 上的，而且SP栈指针在 start.s 中已指定向了 0x33FF0000。
在执行完 mmu_init 函数之后，所有的数据访问均是通过虚拟地址访问的。包括接下来的UART、IRQ、TIMER0、LED、KEY的初始化，通是访问的虚拟地址。详见uart_init 函数中，读写的寄存器地址。
sched_init() 函数的功能是初始化所有的PCB。在最后，初始化PCB[0]。把 current=&task[0] 。
/* 初始化0号进程 */
p = &task[0]; // p指向0号进程PCB
p->pid = 0; // 设置0号进程pid
p->state = TASK_RUNNING; // 设置其运行状态为就绪态
p->count = 5; // 设置其时间片为5
p->priority = 5; // 设置优先级为5
p->content[0] = 0x5f; // 保存状态寄存器cpsr值，表示为系统模式，开启中断
p->content[1] = SYS_MODE_STACK_BASE; // 设置当前进程栈指针
p->content[2] = 0;
p->content[16]= 0; // 设置PC寄存器的值为0，该进程起始地址被MMU映射为0地址
current = &task[0]; // 当前运行进程为0号进程