嵌入式LED控制程序详解 - 从汇编启动到C语言控制

一、整体架构概览

这个项目是一个完整的嵌入式系统程序，包含：

1. 汇编启动代码（start.S）：系统初始化和异常向量表

2. C语言主程序（main.c）：硬件初始化和LED控制逻辑

3. Makefile：自动化编译脚本

工作流程：

上电 → 汇编启动代码 → C语言main函数 → LED闪烁

二、汇编启动代码详解（start.S）

.global _start /* 声明_start为全局符号，链接器可识别 */ _start: /* ============================== */ /* ARM异常向量表（必须放在0x00000000） */ /* ============================== */ ldr pc, =_reset_handler /* 复位异常：系统复位或上电 */ ldr pc, =_undef_handler /* 未定义指令异常 */ ldr pc, =_software_handler /* 软件中断（SWI） */ ldr pc, =_prefect_handler /* 预取中止（指令获取失败）*/ ldr pc, =_data_abort_handler /* 数据中止（数据访问失败）*/ nop /* 保留 */ ldr pc, =_irq_handler /* 普通中断请求 */ ldr pc, =_fiq_handler /* 快速中断请求 */ /* ============================== */ /* 各个异常处理函数（简化版本） */ /* ============================== */ _undef_handler: b _undef_handler /* 无限循环，实际应处理异常 */ _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（主启动代码） */ /* ============================== */ _reset_handler: /* 第一步：禁用所有中断 */ cpsid i /* 将CPSR的I位置1，禁用IRQ中断 */ /* cpsid = Change Processor State, Interrupt Disable */ /* 第二步：设置IRQ模式的栈指针 */ cps #0x12 /* 切换到IRQ模式（模式编号0x12）*/ /* 等价于传统写法： mrs r0, cpsr ; 读取CPSR到r0 bic r0, r0, #0x1F ; 清除模式位[4:0] orr r0, r0, #0x12 ; 设置IRQ模式(0x12) msr cpsr, r0 ; 写回CPSR */ ldr sp, =0x82000000 /* 设置IRQ模式栈指针 */ /* 栈从高地址向低地址增长 */ /* 第三步：设置SYS模式的栈指针并启用中断 */ cps #0x1F /* 切换到SYS模式（0x1F）*/ /* 等价于传统写法： mrs r0, cpsr bic r0, r0, #0x1F ; 清除模式位 bic r0, r0, #(1 << 7) ; 清除I位（使能IRQ中断） orr r0, r0, #0x1F ; 设置SYS模式(0x1F) msr cpsr, r0 */ ldr sp, =0x84000000 /* 设置SYS模式栈指针 */ cpsie i /* 使能IRQ中断 */ /* 第四步：跳转到C语言main函数 */ b main /* 程序控制权交给C代码 */ /* ============================== */ /* 程序结束处理 */ /* ============================== */ finish: b finish /* 死循环，程序结束 */

关键概念解释：

1. ARM异常向量表

• 位置：必须放在内存地址0x00000000处

• 作用：CPU发生异常时，自动跳转到对应地址

• 8个异常向量：

  1. 复位（Reset）

  2. 未定义指令（Undefined Instruction）

  3. 软件中断（SWI）

  4. 预取中止（Prefetch Abort）

  5. 数据中止（Data Abort）

  6. 保留

  7. IRQ中断

  8. FIQ中断

2. ARM处理器模式

#define MODE_USR 0x10 // 用户模式 #define MODE_FIQ 0x11 // 快速中断模式 #define MODE_IRQ 0x12 // 普通中断模式 #define MODE_SVC 0x13 // 管理模式 #define MODE_ABT 0x17 // 中止模式 #define MODE_UND 0x1B // 未定义模式 #define MODE_SYS 0x1F // 系统模式

3. CPSR寄存器

31 30 29 28 27 26 25 24 ... 8 7 6 5 4 3 2 1 0 N Z C V - - - - ... - I F T M4 M3 M2 M1 M0 ↑ ↑模式位 I位：1=禁用IRQ

三、C语言主程序详解（main.c）

1. 寄存器地址定义

/* ============================== */ /* i.MX6ULL寄存器地址定义 */ /* ============================== */ /* GPIO1_IO03引脚复用控制寄存器 */ /* 地址：0x020E0068，控制引脚功能（GPIO/UART等） */ #define IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 *((unsigned int *)0x020E0068) /* GPIO1_IO03引脚电气特性寄存器 */ /* 地址：0x020E02F4，控制驱动能力、上下拉等 */ #define IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03 *((unsigned int *)0x020E02F4) /* GPIO1方向寄存器 */ /* 地址：0x0209C004，控制每个引脚是输入还是输出 */ #define GPIO1_GDIR *((unsigned int *)0x0209C004) /* GPIO1数据寄存器 */ /* 地址：0x0209C000，写入数据控制引脚电平 */ #define GPIO1_DR *((unsigned int *)0x0209C000) /* ============================== */ /* 时钟控制寄存器（CCM） */ /* ============================== */ #define CCM_CCGR0 *((unsigned int *)0x020C4068) /* 外设时钟门控0 */ #define CCM_CCGR1 *((unsigned int *)0x020C406C) /* 外设时钟门控1 */ #define CCM_CCGR2 *((unsigned int *)0x020C4070) /* 外设时钟门控2 */ #define CCM_CCGR3 *((unsigned int *)0x020C4074) /* 外设时钟门控3 */ #define CCM_CCGR4 *((unsigned int *)0x020C4078) /* 外设时钟门控4 */ #define CCM_CCGR5 *((unsigned int *)0x020C407C) /* 外设时钟门控5 */ #define CCM_CCGR6 *((unsigned int *)0x020C4080) /* 外设时钟门控6 */

2. 外设时钟使能函数

void clock_cg_init(void) { /* 使能所有外设时钟 */ CCM_CCGR0 = 0xFFFFFFFF; /* 全写1，使能该组所有外设时钟 */ CCM_CCGR1 = 0xFFFFFFFF; CCM_CCGR2 = 0xFFFFFFFF; CCM_CCGR3 = 0xFFFFFFFF; CCM_CCGR4 = 0xFFFFFFFF; CCM_CCGR5 = 0xFFFFFFFF; CCM_CCGR6 = 0xFFFFFFFF; /* 原理：CCM（Clock Controller Module）控制各个外设的时钟 1 = 时钟开启，0 = 时钟关闭 开发阶段全部开启，实际产品应只开启需要的外设 */ }

3. LED初始化函数

void led_init(void) { /* 第一步：配置引脚复用功能 */ /* 将GPIO1_IO03设置为GPIO功能（ALT5） */ IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 = 0x05; /* 位域说明： 0x05 = 0101b，表示ALT5模式（GPIO功能） 其他模式： 0x00 = ALT0，0x01 = ALT1，以此类推 具体功能参考芯片手册的IOMUXC章节 */ /* 第二步：配置引脚电气特性 */ IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03 = 0x10B0; /* 位域说明（参考i.MX6ULL手册）： bit16: HYS = 0（滞后关闭） bit15: 保留 bit14: PUS = 1（47K上拉） bit13: PUE = 0（保持器关闭） bit12: PKE = 1（上拉/下拉使能） bit11: ODE = 0（开漏输出关闭） bit10: SPEED = 2（中等速度） bit9: 保留 bit8: DSE = 6（驱动能力R0/6） bit7: 保留 bit6: SRE = 0（压摆率慢） */ /* 第三步：设置GPIO引脚为输出模式 */ GPIO1_GDIR |= (1 << 3); /* GPIO1_GDIR寄存器： bit3 = 1：GPIO1_IO03为输出模式 bit3 = 0：GPIO1_IO03为输入模式 使用|=操作符只设置第3位，不影响其他位 */ }

4. LED控制函数

/* LED点亮函数 */ void led_on(void) { /* 将GPIO1_IO03输出低电平（LED点亮）*/ GPIO1_DR &= ~(1 << 3); /* GPIO1_DR寄存器： bit3 = 0：输出低电平，LED亮（假设LED正极接3.3V，负极接GPIO） bit3 = 1：输出高电平，LED灭 操作分解： 1 << 3 = 00001000b （二进制） ~(1 << 3) = 11110111b （二进制） GPIO1_DR &= 11110111b：清除第3位（设为0） */ } /* LED熄灭函数 */ void led_off(void) /* 注意：原代码有拼写错误len_off()，应为led_off() */ { /* 将GPIO1_IO03输出高电平（LED熄灭）*/ GPIO1_DR |= (1 << 3); /* GPIO1_DR |= 00001000b：设置第3位（设为1） 其他位保持不变 */ } /* 简单延时函数 */ void led_delay(unsigned int t) { while(t--); /* 空循环，消耗CPU时间实现延时 */ /* 注意：这不是精确延时，实际时间取决于CPU频率 */ }

5. 主函数

int main(void) { /* 第一步：初始化时钟（使能外设工作）*/ clock_cg_init(); /* 第二步：初始化LED引脚 */ led_init(); /* 第三步：主循环 - LED闪烁 */ while(1) /* 无限循环 */ { led_on(); /* 点亮LED */ led_delay(0x7FFFF); /* 延时约524,287个循环 */ led_off(); /* 熄灭LED */ led_delay(0x7FFFF); /* 再次延时 */ /* 形成效果：亮→延时→灭→延时→亮... */ } return 0; /* 实际不会执行到这里 */ }

四、Makefile详解

# ============================================== # 编译器配置 # ============================================== COMPILER = arm-linux-gnueabihf- # 交叉编译器前缀 CC = $(COMPILER)gcc # C编译器 LD = $(COMPILER)ld # 链接器 OBJCOPY = $(COMPILER)objcopy # 二进制转换工具 OBJDUMP = $(COMPILER)objdump # 反汇编工具 # ============================================== # 文件列表 # ============================================== OBJS = start.o main.o led.o # 所有目标文件 TAGRT = led # 最终目标文件名 # ============================================== # 编译规则 # ============================================== # 规则1：汇编文件编译规则 # 格式：目标文件 : 依赖文件 %.o : %.S # 通配符规则：所有.S文件生成.o文件 $(CC) -c -g $^ -o $@ # 编译命令 # $^ : 所有依赖文件（这里是%.S） # $@ : 目标文件名（这里是%.o） # -c : 只编译不链接 # -g : 包含调试信息 # 规则2：C文件编译规则 %.o:%.c # 通配符规则：所有.c文件生成.o文件 $(CC) -c -g $^ -o $@ # 规则3：链接生成最终二进制文件 $(TAGRT).bin : $(OBJS) # 依赖所有.o文件 $(LD) -Ttext 0x87800000 $^ -o $(TAGRT).elf # 链接 # -Ttext 0x87800000 : 设置代码段起始地址 # $^ : 所有.o文件 # -o : 输出文件名 $(OBJCOPY) -O binary -S -g $(TAGRT).elf $@ # 生成二进制 # -O binary : 输出二进制格式 # -S : 移除符号信息 # -g : 移除调试信息 # $@ : 目标文件（led.bin） $(OBJDUMP) -D $(TAGRT).elf > $(TAGRT).dis # 生成反汇编 # -D : 反汇编所有段 # > : 输出重定向到文件 # ============================================== # 清理规则 # ============================================== clean: rm $(OBJS) $(TAGRT).elf $(TAGRT).bin $(TAGRT).dis -rf # 删除所有生成的文件 # -rf : 递归强制删除 # ============================================== # 烧写规则（针对i.MX6ULL开发板） # ============================================== load: ./imxdownload ./$(TAGRT).bin /dev/sdb # 使用imxdownload工具将bin文件烧写到SD卡 # /dev/sdb : SD卡设备文件（根据实际情况可能不同）

五、完整的工作流程

1. 编译流程

# 第一步：编译汇编文件 arm-linux-gnueabihf-gcc -c -g start.S -o start.o # 第二步：编译C文件 arm-linux-gnueabihf-gcc -c -g main.c -o main.o # 第三步：链接所有目标文件 arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0x87800000 start.o main.o -o led.elf # 第四步：生成二进制文件 arm-linux-gnueabihf-objcopy -O binary -S led.elf led.bin # 第五步：生成反汇编文件（可选，用于调试） arm-linux-gnueabihf-objdump -D led.elf > led.dis

2. 内存布局

内存地址 内容 0x00000000 ┌─────────────┐ │ 异常向量表 │ ← CPU上电从这里开始执行 │ (start.S) │ 0x87800000 ├─────────────┤ │ 代码段 │ ← 链接地址，代码实际运行位置 │ (main.c等) │ 0x82000000 ├─────────────┤ │ IRQ模式栈 │ ← 中断处理时使用 0x84000000 ├─────────────┤ │ SYS模式栈 │ ← C语言函数调用使用 └─────────────┘

3. 实际烧写和执行

# 1. 编译 make # 2. 查看生成的文件 ls -lh led.* # 3. 烧写到SD卡 make load # 或者手动执行 sudo ./imxdownload ./led.bin /dev/sdb # 4. 插入SD卡到开发板，启动

六、重要概念总结

1. 嵌入式开发核心概念

• 交叉编译：在PC上编译，在ARM开发板上运行

• 寄存器编程：直接操作硬件寄存器控制外设

• 地址映射：每个外设都有固定的内存地址

2. GPIO控制三要素

// 1. 引脚复用（选择GPIO功能） IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 = 0x05; // 2. 电气特性配置（上下拉、驱动能力等） IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03 = 0x10B0; // 3. 方向设置（输入/输出） GPIO1_GDIR |= (1 << 3); // 输出模式 // 4. 数据控制（高/低电平） GPIO1_DR &= ~(1 << 3); // 输出低电平

3. 启动代码关键步骤

1. 设置异常向量表（CPU硬性要求）

2. 初始化栈指针（每种模式都需要）

3. 切换处理器模式

4. 中断控制（先禁用，初始化后再开启）

5. 跳转到C代码

4. 常见问题与调试

问题1：LED不亮

// 检查步骤： // 1. 确认时钟使能 clock_cg_init(); // 2. 确认引脚配置正确 // - 复用功能是否正确（0x05） // - 方向是否为输出（GPIO1_GDIR bit3=1） // 3. 确认电平控制 // - 亮：GPIO1_DR bit3=0 // - 灭：GPIO1_DR bit3=1 // 4. 确认硬件连接 // - LED正负极是否正确 // - 是否有限流电阻

问题2：程序不运行

# 检查方法： # 1. 查看反汇编文件 cat led.dis # 2. 检查链接地址是否正确 # 确保-Ttext与开发板内存匹配 # 3. 检查启动代码 # 向量表是否正确 # 栈指针是否设置