8.2 KiB
A Raspberry Pi 3 alacsony szintű programozása
Üdvözöllek! Ez az oktatóanyag azok számára készült, akik szeretnének saját alacsony szintű (bare metal) programot írni a Raspberry Pi-jükre.
A célközönsége elsősorban azok a hobby OS fejlesztők, akik most ismerkednek ezzel a hardverrel. Példákat mutatok arra, hogyan kell az alapfunkciókat megvalósítani, úgy mint soros vonalra írás, billentyűleütés kiolvasás, beállítani a képernyő felbontását és rajzolni rá. Azt is megmutatom, hogy kell az alaplap sorszámát és igazi, vas által generált véletlenszámot kiolvasni, valamint hogy hogyan kell fájlokat beolvasni a kártyáról.
Ez az oktatóanyag nem arról szól, hogy hogyan írjunk operációs rendszert. Nem érint olyan témákat, mint a memória gazdálkodás, virtuális fájlrendszer kezelés, vagy hogy hogyan valósítsuk meg a multitaszkot. Ha saját OS-t szeretnél írni a Raspberry Pi-re, akkor javaslom előbb nézz körbe máshol, mielőtt folytatnád. Ez az oktatóanyag kifejezetten arról szól, hogy kommunikáljunk az adott hardverrel, és nem az operációs rendszerek hátteréről.
Feltételezem, hogy elegendő GNU/Linux ismerettel rendelkezel, tudod, hogy kell programokat fordítani és lemez valamint fájlrendszer képfájlokat létrehozni. Nem fogok kitérni ezekre, bár szó lesz arról, hogyan állítsuk be a kereszt-fordítót kifejezetten ehhez az architektúrához.
Miért Raspberry Pi 3?
Több okból is erre esett a választásom: először is olcsó, könnyen beszerezhető. Másodszor teljesen 64 bites masina. Már réges rég felhagytam a 32 bites fejlesztéssel, mivel a 64 bit sokkal izgalmasabb. A címterülete hatalmas, nagyobb, mint a tárolókapacitás, ezért lehetővé teszi új, izgalmas megoldások létrehozását. Harmadsorban MMIO-t használ, amit könnyű programozni.
Előkészületek
Mielőtt belevágnánk, szükséged lesz egy kereszt-fordítóra (lásd 00_crosscompiler könyvtár) és egy Micro SD kártyára néhány firmware fájllal egy FAT partíción.
Javaslom, hogy szerezz be egy Micro SD kártya USB adaptert (sok gyártó eleve szállít ilyent az SD kártyáihoz), hogy könnyedén csatlakoztathasd az asztali gépedhez, mint egy pent, speciális kártya olvasó interfész nélkül (habár sok laptopban gyárilag van ilyen olvasó manapság).
Az MBR partíciós táblát létre kell hozni az SD kártyán LBA FAT32 (0x0C típusú) partícióval, leformázni azt,
majd rámásolni a bootcode.bin és start.elf állományokat. Alternatívaként letöltheted a raspbian képfájlt, dd-vel
rárakhatod a kártyára, majd mountolás után letörölheted a felesleges .img fájlokat. Amenyik szimpatikusabb. A lényeg
az, hogy ezekben az oktatóanyagokban kernel8.img fájlokat gyártunk, amit a partíció gyökér könyvtárába kell másolni,
és más .img kiterjesztésű fájl nem lehet ott.
Javaslom továbbá, hogy vegyél egy soros USB debug kábelt. Ezt a GPIO 14-es és 15-ös lábára kell csatlakoztatni, az asztali gépen pedig a következő paranccsal kell elindítani a minicom-ot:
minicom -b 115200 -D /dev/ttyUSB0
Emulálás
Sajnálatos módon a hivatalos qemu nem támogatja a Raspberry Pi 3-at, csak a 2-t. De van egy jó hírem, megírtam a támogatást hozzá, és a forrást elérhetővé tettem a github-on. Miután lefordult, így tudod használni:
qemu-system-aarch64 -M raspi3 -kernel kernel8.img -serial stdio
Vagy (a fájl rendszer oktatóanyagok esetében)
qemu-system-aarch64 -M raspi3 -drive file=$(yourimagefile),if=sd,format=raw -serial stdio
Az első paraméter utasítja a qemu-t a Raspberry Pi 3 hardver emulálására. A második megadja a használandó kernel fájl (vagy a második esetben az SD kártya képfájl) nevét. Végezetül az utolsó paraméter lehetővé teszi, hogy az emulált gép UART0-ját átirányítsuk a qemu-t futtató terminál be- és kimenetére, azaz hogy minden, a virtuális gépen soros vonalra küldött karater megjelenjen a terminálon, az ott leütött karaktereket pedig kiolvashassuk a vm-en. Ez csak az 5-ös oktatóanyagtól működik, mivel az UART1 alapból nem átirányítható.
!!!FIGYELEM!!! Qemu emulálása felületes, csak a legáltalánosabb perifériákat támogatja! !!!FIGYELEM!!!
Magáról a hardverről
Rengeteg oldal foglalkozik az interneten a Raspberry Pi 3 hardverének részletes bemutatásával, szóval itt rövid leszek, és csak az alapokat futjuk át.
Az alaplapon egy BCM2837 SoC csip található. Ebbe beszereltek
- VideoCore grafikus processzort (GPU)
- ARM-Cortex-A7 általános processzort (CPU, ARMv8)
- És néhány MMIO-val leképzett perifériát.
Érdekesség, hogy a nem a CPU a fő processzor. Amikor bekapcsoljuk, először a GPU kezd futni. Amikor végzett az
inicializálásával, ami a bootcode.bin futtatását jelenti, betölti a start.elf programot. Ez nem egy ARM-es futtatható
állomány, hanem a GPU-ra íródott. Ami számunkra érdekes, az az, hogy ez a start.elf különféle ARM futtathatók után
kutat, melyek mind kernel-el kezdődnek, és .img-re végződnek. Mivel mi a CPU-t AArch64 módban fogjuk programozni,
ezért nekünk a kernel8.img fájlra van szükségünk, ami a legutolsó keresett fájlnév. Miután betöltötte, a GPU magasba
emeli az ARM processzor reset lábát, aminek hatására elkezdi a futtatást a 0x80000-as címen (egész pontosan a 0-ás
címen, csak oda a GPU egy ARM ugrás utasítás rakott előtte).
A RAM (1G a Raspberry Pi 3-on) meg van osztva a CPU és a GPU között, ezért az egyik tudja olvasni, amit a másik a memóriába írt. A félreértések elkerülése végett egy jól definiált, úgy nevezett levelesláda mailbox interfészt alakítottak ki. A CPU beletesz egy üzenetet a levesládába, és szól a GPU-nak, hogy üzenete van. A GPU (tudván, hogy a teljes üzenet a memóriában van) értelmezi azt, és ugyanarra a címre egy választ rak. A CPU-nak folyamatosan figyelni kell a memóriát, hogy végzett-e a GPU, és ha igen, akkor és csak akkor kiolvashatja a választ.
Hasonlóan a perifáriák is a memórián keresztül kommunikálnak a CPU-val. Mindegyiknek saját dedikált címe van, 0x3F000000-tól kezdődően, de ez nem igazi RAM (MMIO, memóriába leképzett ki- és bemenet). Namost itt nincs levelesláda, minden eszköz saját protokollt beszél. Ami közös, az az, hogy ez a memóriarész csak 32 bites adagokban, 4-el osztható címen írható / olvasható (szavak), és mindegyiknek kontroll/státusz illetve adat szavai vannak. Sajnálatos módon a Broadcom (a SoC gyártója) hírhedten szarul dokumentája a termékeit. A legjobb, ami van, a BCM2835-ös leírása, ami azért eléggé hasonló.
Van továbbá lapcímfordító egység (MMU) a CPU-ban ami lehetővé teszi virtuális címterek használatát. Ez néhány speciális CPU rendszer regiszterrel programozható, és oda kell figyelni, amikor ezeket az MMIO területeket képezük le vele a virtuális címtérbe.
Néhány az érdekesebb MMIO címek közül:
0x3F003000 - Rendszer Időzítő (System Timer)
0x3F00B000 - Megszakítás vezérlő (Interrupt controller)
0x3F00B880 - VideoCore levelesláda (VideoCore mailbox)
0x3F100000 - Energiagazdálkodás (Power management)
0x3F104000 - Véletlenszám generátor (Random Number Generator)
0x3F200000 - Általános célú ki- és bemenet vezérlő (General Purpose IO controller)
0x3F201000 - UART0 (soros port, PL011)
0x3F215000 - UART1 (soros port, AUX mini UART)
0x3F300000 - Külső tároló vezérlő (External Mass Media Controller, SD kártya olvasás)
0x3F980000 - USB vezérlő (Universal Serial Bus controller)
A többi információ megtalálható a Raspberry Pi firmware wiki-ben és a documentation repóban a github-on.
https://github.com/raspberrypi
Sok szerencsét és élvezetes hekkelést a Raspberry-dhez! :-)
bzt