Chapter 4: GPIO를 제어해보자! (C)

Source Code는 https://github.com/LeeKyuHyuk/Simple-ARM-Operating-System/tree/raspberry-pi-zero/Chapter-4/src에있습니다.

'Chapter 3: GPIO를 제어해보자! (ARM Assembly)' 에서는 ARM Assembly를 사용하여 GPIO를 제어했습니다.
이번에는 ARM Assembly에서 C함수를 호출하여 GPIO를 제어해보도록 하겠습니다.

Raspberry Pi Zero ACT LED Toggle

이번 장에서는 ACT LED가 계속 꺼졌다가 켜지는 것을 구현해보도록 하겠습니다.

ARM Assembly 코드에서는 bl main으로 C코드에 있는 main() 함수를 호출합니다.

boot.S:

.section ".text.boot"
.globl _start

_start:
  mov sp,#0x8000   @ Stack Pointer를 Kernel이 시작하는 지점인 0x8000으로 설정합니다.
  bl main          @ C함수 중에서 main이라는 함수를 호출합니다.

.end

GPIO를 C로 제어하기 전에 gpio.h를 작성하도록 하겠습니다.

#define MMIO_BASE       0x20000000

/* System Timer Counter registers */
#define SYSTMR_LO       (*(volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00003004))
#define SYSTMR_HI       (*(volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00003008))

/* GPIO registers */
#define GPFSEL4         (*(volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200010))
#define GPSET1          (*(volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200020))
#define GPCLR1          (*(volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x0020002C))

준비과정은 다 끝났습니다. 이제 main.c에서 GPIO를 제어해봅시다.
아래의 코드는 ACT LED를 ON하는 코드입니다.

main.c:

#include "gpio.h"

int main(void) {
  GPFSEL4 = 1 << 21;        // GPFSEL4의 21번 비트를 1로 설정합니다.
  GPSET1 = 1 << 15;         // GPSET1의 15번 비트를 1로 설정합니다.
                            // GPIO 47번을 LOW (ACT LED ON)
  return 0;
}

여기서 우리는 1초마다 ACT LED가 ON, OFF되는것을 구현하고 싶으니 Delay 함수를 구현해야합니다.
Delay 함수는 System Timer Counter 레지스터를 사용하면 쉽게 구현이 가능합니다.

delay.h:

unsigned long get_system_timer();
void wait_msec(unsigned int n);

delay.c:

#include "gpio.h"

/**
 * Get System Timer's counter
 */
unsigned long get_system_timer() {
  unsigned int h = -1, l;
  h = SYSTMR_HI;
  l = SYSTMR_LO;
  // System Timer Counter Higher 32 bits가 변경되면, 위의 작업을 다시 합니다.
  if (h != SYSTMR_HI) {
    h = SYSTMR_HI;
    l = SYSTMR_LO;
  }
  return ((unsigned long)h << 32) | l;
}

/**
 * Wait N microseconds
 */
void wait_msec(unsigned int n) {
  unsigned long t = get_system_timer();
  // 무한 루프를 피하기 위하여 t의 값이 0이 아닌지 확인합니다.
  if (t)
    while (get_system_timer() < t + n)
      ;
}

Delay 함수도 구현했으니, 이제 1초마다 ACT LED가 ON, OFF되게 해봅시다.

main.c:

#include "gpio.h"
#include "delay.h"

int main(void) {
  GPFSEL4 = 1 << 21;        // GPFSEL4의 21번 비트를 1로 설정합니다.
  while (1) {
    GPSET1 = 1 << 15;       // GPSET1의 15번 비트를 1로 설정합니다.
                            // GPIO 47번을 LOW (ACT LED ON)
    wait_msec(1000000 * 1); // 1초 Delay
    GPCLR1 = 1 << 15;       // GPCLR1의 15번 비트를 1로 설정합니다.
                            // GPIO 47번을 HIGH (ACT LED OFF)
    wait_msec(1000000 * 1); // 1초 Delay
  }
  return 0;
}

linker.ld:

SECTIONS
{
    . = 0x8000;
    .text : { *(.text.boot) }
}

Makefile:

SRCS = $(wildcard *.c)
OBJS = $(SRCS:.c=.o)
CFLAGS = -O2 -Wall -fpic -ffreestanding

all: clean kernel.bin

boot.o: boot.S
	arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c boot.S -o boot.o

%.o: %.c
	arm-none-eabi-gcc $(CFLAGS) -c $< -o $@

kernel.bin: boot.o $(OBJS)
	arm-none-eabi-gcc -T linker.ld -o kernel.elf -ffreestanding -O2 -nostdlib boot.o $(OBJS)
	arm-none-eabi-objcopy kernel.elf -O binary kernel.bin
	arm-none-eabi-objdump -D kernel.elf > kernel.dump

clean:
	rm kernel.elf kernel.bin kernel.dump *.o >/dev/null 2>/dev/null || true

작성한 코드를 빌드하여 실제 Raspberry Pi Zero에서 실행해보자!

위와 같이 Makefile까지 모두 작성했다면 터미널에 make를 입력하여 빌드합니다.
빌드가 완료되면 kernel.bin 파일이 생성됩니다.

SDCard를 FAT32로 포맷합니다.
그리고, /References/boot에있는 bootcode.bin, config.txt, start.elf를 모두 복사합니다.
방금 빌드한 kernel.bin도 함께 복사합니다.

SDCard에 있는 config.txt에는 kernel=kernel.bin이라는 설정만 있습니다. 이 설정은 kernel.bin을사용하여 부팅하겠다는 뜻입니다.

SDCard를 Raspberry Pi Zero에 넣고, 부팅하면 아래와 같이 ACT LED가 켜지고 꺼지는 것을 확인할 수 있습니다.