綜合能力訓練：在樹莓派上動手寫一個小OS（2）：實驗16-1：輸出welcome benos

本文節選自《奔跑吧linux核心 入門篇》第二版第16.2.1章

和笨叔一起玩樹莓派，動手寫BenOS！

實驗16-1：輸出“Welcome BenOS!”

1．實驗目的

1）瞭解和熟悉ARM64彙編。
2）瞭解和熟悉如何使用QEMU和GDB除錯裸機程式。

2．實驗要求

1）編寫一個裸機程式並在QEMU模擬器中執行，輸出“Welcome BenOS!”字串。
2）在樹莓派上執行編譯好的裸機程式。

3．實驗詳解

由於我們寫的是裸機程式，因此需要手動編寫Makefile和連結指令碼。
對於任何一種可執行程式，不論是.elf還是.exe檔案，都是由程式碼段.text、資料段.data、未初始化資料段.bss等段（section）組織的。連結指令碼最終會把一大堆編譯好的二進位制檔案（.o檔案）綜合生成為二進位制可執行檔案，也就是把所有二進位制檔案整合到一個大檔案中。這個大檔案由總體的.text/.data/.bss段描述。下面是本實驗中的一個連結檔案，名為link.ld。

1     SECTIONS


2     {


3          . = 
0x0;


4         .text.boot : { *(.text.boot) }


5         .text : { *(.text) }


6         .rodata : { *(.rodata) }


7         .data : { *(.data) }


8         . = ALIGN(
0x8);


9         bss_begin = .;


10        .bss : { *(.bss*) } 


11        bss_end = .;


12    }

在第1行中，SECTIONS是LS（Linker Script）語法中的關鍵命令，用來描述輸出檔案的記憶體佈局。SECTIONS命令告訴連結檔案如何把輸入檔案的段對映到輸出檔案的各個段，如何將輸入段合為輸出段，以及如何把輸出段放入程式地址空間（VMA）和程式地址空間（LMA）。SECTIONS命令格式如下。

SECTIONS

{

  sections-command

  sections-command

  …

}

sections-command有4種。

• ENTRY命令。

• 符號賦值語句。

• 輸出段的描述（output section description）。

• 段的疊加描述（overlay description）。

在第3行中，“.”非常關鍵，它代表位置計數（Location Counter，LC），這裡把.text段的連結地址被設定為0x0，這裡連結地址指的是裝載地址（load address）。
在第4行中，輸出檔案的.text.boot段內容由所有輸入檔案（其中的“ ”可理解為所有的.o檔案，也就是二進位制檔案）的.text.boot段組成。在第5行中，輸出檔案的.text段內容由所有輸入檔案（其中的“”可理解為所有的.o檔案，也就是二進位制檔案）的.text段組成。
在第6行中，輸出檔案的，rodata段由所有輸入檔案的.rodata段組成。
在第7行中，輸出檔案的，data段由所有輸入檔案的.data段組成。
在第8行中，設定為按8個位元組對齊。
在第9～11行中，定義了一個.bss段。
因此，上述連結檔案定義瞭如下幾個段。

• .text.boot段：啟動首先要執行的程式碼。

• .text段：程式碼段。

• .rodata段：只讀資料段。

• .data段：資料段。

• .bss段：包含初始化的或初始化為0的全域性變數和靜態變數。

下面開始編寫啟動用的彙編程式碼，將程式碼儲存為boot.S檔案。

1     #include 
"mm.h"


2 


3     .section 
".text.boot"


4 


5     .globl _start


6     _start:


7         mrs x0, mpidr_el1       


8         and x0, x0,#
0xFF    


9         cbz x0, master      


10        b   proc_hang


11


12    proc_hang: 


13        b   proc_hang


14


15    master:


16        adr x0, bss_begin


17        adr x1, bss_end


18        sub x1, x1, x0


19        bl  memzero


20


21        mov sp, #LOW_MEMORY 


22        bl  start_kernel


23        b   proc_hang       

啟動用的彙編程式碼不長，下面作簡要分析。
在第3行中，把boot.S檔案編譯連結到.text.boot段中。我們可以在連結檔案link.ld中把.text.boot段連結到這個可執行檔案的開頭，這樣當程式執行時將從這個段開始執行。
在第5行中，_start為程式的入口點。
在第7行中，由於樹莓派有4個CPU核心，但是本實驗的裸機程式不希望4個CPU核心都執行起來，我們只想讓第一個CPU核心執行起來。mpidr_el1暫存器是表示處理器核心的編號 。
在第8行中，and指令為與操作。
第9行，cbz為比較並跳轉指令。如果x0暫存器的值為0，則跳轉到master標籤處。若x0暫存器的值為0，表示第1個CPU核心。其他CPU核心則跳轉到proc_hang標籤處。
在第12和13行，proc_hang標籤這裡是死迴圈。
在第15行，對於master標籤，只有第一個CPU核心才能執行到這裡。
在第16～19行，初始化.bss段。
在第21行中，設定sp棧指標，這裡指向記憶體的4 MB地址處。樹莓派至少有1 GB記憶體，我們這個裸機程式用不到那麼大的記憶體。
在第22行中，跳轉到C語言的start_kernel函式接下來需要跳轉到C語言的start_kernel函式，這裡最重要的一步是設定C語言執行環境，即堆疊。

總之，上述彙編程式碼還是比較簡單的，我們只做了3件事情。

• 只讓第一個CPU核心執行，讓其他CPU核心進入死迴圈。

• 初始化.bss段。

• 設定棧，跳轉到C語言入口。
  接下來編寫C語言的start_kernel函式。本實驗的目的是輸出一條歡迎語句，因而這個函式的實現比較簡單。將程式碼儲存為kernel.c檔案。

#include 
"mini_uart.h"




void start_kernel(
void)

{

    uart_init();

    uart_send_string(
"Welcome BenOS!\r\n");



    
while (
1) {

        uart_send(uart_recv());

    }

}

上述程式碼很簡單，主要操作是初始化串列埠和往串列埠裡輸出歡迎語句。
接下來實現一些簡單的串列埠驅動程式碼。樹莓派有兩個串列埠裝置。

• PL011串列埠，在BCM2837晶片手冊中簡稱UART0，是一種全功能的串列埠裝置。

• Mini串列埠，在BCM2837晶片手冊中簡稱UART1。

本實驗使用PL011串列埠裝置。Mini串列埠裝置比較簡單，不支援流量控制（flow control），在高速傳輸過程中還有可能丟包。

BCM2837晶片裡有不少片內外設複用相同的GPIO介面，這稱為GPIO可選功能配置（GPIO Alternative Function）。GPIO14和GPIO15可以複用UART0和UART1串列埠的TXD引腳和RXD引腳，如表16.1所示。關於GPIO可選功能配置的詳細介紹，讀者可以查閱BCM2837晶片手冊的6.2節。在使用PL011串列埠之前，我們需要通過程式設計來使能TXD0和RXD0引腳。

BCM2837晶片提供了 GFPSELn暫存器用來設定GPIO可選功能配置，其中 GPFSEL0用來配置GPIO0～GPIO9，而GPFSEL1用來配置GPIO10～GPIO19，以此類推。其中，每個GPIO使用3位來表示不同的含義。

• 000：表示GPIO設定為輸入

• 001：表示GPIO設定為輸出。

• 100：表示GPIO配置為可選項0。

• 101：表示GPIO配置為可選項1。

• 110：表示GPIO配置為可選項2。

• 111：表示GPIO配置為可選項3。

• 011：表示GPIO配置為可選項4。

• 010：表示GPIO配置為可選項5。

首先在include/asm/base.h標頭檔案中加入樹莓派暫存器的基地址。

#ifndef    _P_BASE_H

#define    _P_BASE_H



#ifdef CONFIG_BOARD_PI3B

#define PBASE 
0x3F000000

#
else

#define PBASE 
0xFE000000

#endif



#endif  
/*_P_BASE_H */

下面是PL011串列埠的初始化程式碼。

void uart_init ( 
void )

{

    unsigned int selector;



    selector = readl(GPFSEL1); selector &= ~(
7<<
12);

    
/* 為GPIO14設定可選項0*/

    selector |= 
4<<
12;

    selector &= ~(
7<<
15);

    
/* 為GPIO15設定可選項0 */

    selector |= 
4<<
15;

    writel(selector, GPFSEL1);

上述程式碼把 GPIO14 和 GPIO15 設定為可選項0，也就是用作PL011 串列埠的RXD0 和TXD0引腳。

    writel(
0, GPPUD);

    delay(
150);

    writel((
1<<
14)|(
1<<
15), GPPUDCLK0);

    delay(
150);

    writel(
0, GPPUDCLK0);

通常GPIO引腳有3個狀態——上拉（pull-up）、下拉（pull-down）以及連線（connect）。連線狀態指的是既不上拉也不下拉，僅僅連線。上述程式碼已把GPIO14和GPIO15設定為連線狀態。
下列程式碼用來初始化PL011串列埠。

    
/* 暫時關閉串列埠 */

    writel(
0, U_CR_REG);



    
/* 設定波特率 */

    writel(
26, U_IBRD_REG);

    writel(
3, U_FBRD_REG);



    
/* 使能FIFO */

    writel((
1<<
4) | (
3<<
5), U_LCRH_REG);



    
/* 遮蔽中斷 */

    writel(
0, U_IMSC_REG);

    
/* 使能串列埠，開啟收發功能 */

    writel(
1 | (
1<<
8) | (
1<<
9), U_CR_REG);

接下來實現如下幾個函式以收發字串。

void uart_send(char c)

{

    
while (readl(U_FR_REG) & (
1<<
5))

        ;



    writel(c, U_DATA_REG);

}



char uart_recv(
void)

{

    
while (readl(U_FR_REG) & (
1<<
4))

        ;



    
return(readl(U_DATA_REG) & 
0xFF);

}

uart_send()和uart_recv()函式分別用於在while迴圈中判斷是否有資料需要發生和接收，這裡只需要判斷U_FR_REG暫存器的相應位即可。
接下來編寫Makefile檔案。

board ?= rpi3



ARMGNU ?= aarch64-linux-gnu



ifeq ($(board), rpi3)

COPS += -DCONFIG_BOARD_PI3B

QEMU_FLAGS  += -machine raspi3


else ifeq ($(board), rpi4)

COPS += -DCONFIG_BOARD_PI4B

QEMU_FLAGS  += -machine raspi4

endif



COPS += -g -Wall -nostdlib -nostdinc -Iinclude

ASMOPS = -g -Iinclude 



BUILD_DIR = build

SRC_DIR = src



all : benos.bin



clean :

    rm -rf $(BUILD_DIR) *.bin 



$(BUILD_DIR)/%_c.o: $(SRC_DIR)/%.c

    mkdir -p $(@D)

    $(ARMGNU)-gcc $(COPS) -MMD -c $< -o $@



$(BUILD_DIR)/%_s.o: $(SRC_DIR)/%.S

    $(ARMGNU)-gcc $(ASMOPS) -MMD -c $< -o $@



C_FILES = $(wildcard $(SRC_DIR)
/*.c)

ASM_FILES = $(wildcard $(SRC_DIR)/*.S)

OBJ_FILES = $(C_FILES:$(SRC_DIR)/%.c=$(BUILD_DIR)/%_c.o)

OBJ_FILES += $(ASM_FILES:$(SRC_DIR)/%.S=$(BUILD_DIR)/%_s.o)



DEP_FILES = $(OBJ_FILES:%.o=%.d)

-include $(DEP_FILES)



benos.bin: $(SRC_DIR)/linker.ld $(OBJ_FILES)

    $(ARMGNU)-ld -T $(SRC_DIR)/linker.ld -o $(BUILD_DIR)/benos.elf  $(OBJ_FILES)

    $(ARMGNU)-objcopy $(BUILD_DIR)/benos.elf -O binary benos.bin



QEMU_FLAGS  += -nographic



run:

    qemu-system-aarch64 $(QEMU_FLAGS) -kernel benos.bin

debug:

    qemu-system-aarch64 $(QEMU_FLAGS) -kernel benos.bin -S -s

board用來選擇板子，目前支援樹莓派3和樹莓派4。
ARMGNU用來指定編譯器，這裡使用aarch64-linux-gnu-gcc。
COPS和ASMOPS用來在編譯C語言和組合語言時指定編譯選項。

• -g：表示編譯時加入除錯符號表等資訊。

• -Wall：開啟所有警告資訊。

• -nostdlib：表示不連線系統的標準啟動檔案和標準庫檔案，只把指定的檔案傳遞給聯結器。這個選項常用於編譯核心、bootloader等程式，它們不需要標準啟動檔案和標準庫檔案。

• -nostdinc：表示不包含C語言的標準庫的標頭檔案。
  上述檔案最終會被編譯連結成名為kernel8.elf的.elf檔案，這個.elf檔案包含了除錯資訊，最後使用objcopy命令把.elf檔案轉換為可執行的二進位制檔案。
  在Linux主機上使用make命令編譯檔案。在編譯之前可以選擇需要編譯的板子型別。例如，要編譯在樹莓派3上執行的程式，可使用如下命令。

$ 
export board=rpi3

$ make

要編譯在樹莓派4上執行的程式，可使用如下命令。

$ 
export board=rpi4

$ make

在放到樹莓派之前，可以使用QEMU虛擬機器來模擬樹莓派以執行我們的裸機程式，可直接輸入“make run”命令。

$ make run

qemu-system-aarch64 -machine raspi3 -nographic -kernel benos.bin

Welcome BenOS!

也可輸入如下命令。

$ qemu-system-aarch64 -machine raspi3 -nographic -kernel benos.bin

如果讀者想用QEMU虛擬機器模擬樹莓派4B，那麼需要打上樹莓派4B的補丁並且重新編譯QEMU虛擬機器。
要在樹莓派上執行剛才編譯的裸機程式，需要準備一張格式化好的MicroSD卡。

• 使用MBR分割槽表。

• 格式化boot分割槽為FAT32檔案系統。

參照實驗3-1中介紹的方法燒錄MicroSD卡，這樣就可以得到格式化好的boot分割槽和燒錄的樹莓派韌體。讀者也可以使用Linux主機上的分割槽工具（比如GParted）來格式化MicroSD卡，把樹莓派韌體複製到這個FAT32分割槽裡，其中包括如下幾個檔案。

• bootcode.bin：載入程式。樹莓派復位上電時，CPU處於復位狀態，由GPU負責啟動系統。GPU首先會啟動固化在晶片內部的韌體（BootROM程式碼），讀取MicroSD卡中的bootcode.bin檔案，並裝載和執行bootcode.bin中的載入程式。樹莓派4B已經把bootcode.bin載入程式固化到BootROM裡。

• start4.elf：樹莓派4上的GPU韌體。bootcode.bin載入程式檢索MicroSD卡中的GPU韌體，載入韌體並啟動GPU。

• start.elf：樹莓派3上的GPU韌體。

• config.txt：配置檔案。GPU啟動後讀取config.txt配置檔案，讀取Linux核心映像（比如kernel8.img等）以及核心執行引數等，然後把核心映像載入到共享記憶體中並啟動CPU，CPU結束復位狀態後開始執行Linux核心。
  把benos.bin檔案複製到MicroSD卡的boot分割槽，修改裡面的config.txt檔案。

<config.txt檔案>



[pi4]

kernel=benos.bin

max_framebuffers=
2



[pi3]

kernel=benos.bin



[all]

arm_64bit=
1



enable_uart=
1



kernel_old=
1

disable_commandline_tags=
1

插入MicroSD卡到樹莓派，連線USB電源線，使用Windows端的串列埠軟體可以看到輸出，如圖16.6所示。

圖16.6  輸出歡迎語句

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