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FreeRTOSで遊ぼう その3 - FreeRTOSをvirtに移植（ブート編）

目次: FreeRTOS

前回UARTドライバとmain() 関数を実装しました。今回はmain() に至るまでのブート部分を実装します。ざっくり言うとアセンブラで書いたスタートコードと、リンカスクリプトが必要です。

メモリマップ

RISC-V QEMU virtマシンのメモリマップは下記のようになっています。使わないハードウェアは載せていません。

  • 0x02000000: CLINT
  • 0x10000000: 16550 UART
  • 0x80000000: RAM

今回はRAMの一部をROMの代わりとして使います。0x80000000は本来RAMですがROMの代わりとして扱います。0x80080000以降をRAMとして扱います。本当はSPI Flash ROMを使ったほうが良いですが、手抜き実装です。リンカスクリプトは下記のようにしました。

リンカスクリプト

OUTPUT_ARCH( "riscv" )
ENTRY( _start )

MEMORY
{
	rom (rxa) : ORIGIN = 0x80000000, LENGTH = 512K
	ram (wxa) : ORIGIN = 0x80080000, LENGTH = 512K
}

SECTIONS
{
	.init :
	{
		_text = .;
		KEEP (*(SORT_NONE(.init)))
	} >rom AT>rom
	
	.text :
	{

		*(.text.unlikely .text.unlikely.*)
		*(.text.startup .text.startup.*)
		*(.text .text.*)
		*(.gnu.linkonce.t.*)
	} >rom AT>rom
	
	.fini :
	{
		KEEP (*(SORT_NONE(.fini)))
		_etext = .;
	} >rom AT>rom

	.rodata.align :
	{
		. = ALIGN(4);
		_rodata = .;
	} >rom AT>rom

	.rodata.start :
	{
		_rodata_lma = LOADADDR(.rodata.start);
	} >rom AT>rom

	.rodata :
	{
		*(.rdata)
		*(.rodata .rodata.*)
		*(.gnu.linkonce.r.*)

		. = ALIGN(4);
		_erodata = .;
	} >rom AT>rom

	.data.align :
	{
		. = ALIGN(4);
		_data = .;
	} >ram AT>rom

	.data.start :
	{
		_data_lma = LOADADDR(.data.start);
	} >ram AT>rom

	.data :
	{
		*(.data .data.*)
		*(.gnu.linkonce.d.*)
		. = ALIGN(8);
		PROVIDE( __global_pointer$ = . + 0x800 );
		*(.sdata .sdata.*)
		*(.sdata2 .sdata2.*)
		*(.gnu.linkonce.s.*)
		. = ALIGN(8);
		*(.srodata.cst16)
		*(.srodata.cst8)
		*(.srodata.cst4)
		*(.srodata.cst2)
		*(.srodata .srodata.*)

		. = ALIGN(4);
		_edata = .;
	} >ram AT>rom

	.bss.align :
	{
		. = ALIGN(4);
		_bss = .;
	} >ram AT>rom

	.bss.start :
	{
		_bss_lma = LOADADDR(.bss.start);
	} >ram AT>rom

	.bss :
	{
		*(.sbss*)
		*(.gnu.linkonce.sb.*)
		*(.bss .bss.*)
		*(.gnu.linkonce.b.*)
		*(COMMON)

		. = ALIGN(4);
		_ebss = .;
	} >ram AT>rom

	. = ALIGN(8);
	_end = .;

	.stack :
	{
		. = ALIGN(16);
		_stack0_bottom = .;
		. += __stack_size;
		_stack0_top = .;
	} >ram AT>ram
}

ビルドしたバイナリをnmやreadelfで見るときわかりやすくするために、あえて変なセクション（.*.align, .*.start）をいくつか作っています。このように見えます。

nmやreadelfで見たとき
$ riscv64-unknown-elf-nm -n a.out | less

★.bss.alignにALIGN(4) と書いたとき

80002ea8 R __clz_tab
80002fa8 A _data_lma
80002fa8 R _erodata  ★.rodataの終わり（ROM領域を0x80000000としている）
80002fb8 A _bss_lma
80080000 D _data     ★.dataの始まり（RAM領域を0x80080000としている）
80080000 D pullNextTime
80080008 D uxTimerIncrementsForOneTick
8008000c D xISRStackTop
80080010 B _bss      ★.bssの始まり    ★4bytes alignになっている（.dataの終わりと連続している）
80080010 D _edata    ★.dataの終わり
80080010 b xQueue

...


★.data.alignにALIGN(2048) と書いたとき

80002ca8 R __clz_tab
80002da8 A _data_lma
80002da8 R _erodata  ★.rodataの終わり（ROM領域を0x80000000としている）
80002db8 A _bss_lma
80080000 D _data     ★.dataの始まり（RAM領域を0x80080000としている）
80080000 D pullNextTime
80080008 D uxTimerIncrementsForOneTick
8008000c D xISRStackTop
80080010 D _edata    ★.dataの終わり
80080800 D __global_pointer$
80080800 B _bss      ★.bssの始まり    ★2KB alignになっている（.dataの終わりと連続して「いない」）
80080800 b xQueue

...


$ riscv64-unknown-elf-readelf -a a.out | less

★.bss.alignにALIGN(4) と書いたとき

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .init             PROGBITS        80000000 001000 00006c 00  AX  0   0  1
  [ 2] .text             PROGBITS        80000100 001100 002d2c 00  AX  0   0 256
  [ 3] .rodata.align     PROGBITS        80002e2c 004010 000000 00  WA  0   0  1
  [ 4] .rodata           PROGBITS        80002e2c 003e2c 00017c 00   A  0   0  4
  [ 5] .data.align       PROGBITS        80080000 004010 000000 00  WA  0   0  1
  [ 6] .data             PROGBITS        80080000 004000 000010 00  WA  0   0  4
  [ 7] .bss.align        NOBITS          80080010 000000 000000 00  WA  0   0  1
  [ 8] .bss              NOBITS          80080010 004010 0040c0 00  WA  0   0 16    ★4bytes alignになっている
  [ 9] .stack            NOBITS          800840d0 0040d0 00012c 00  WA  0   0  1


★.data.alignにALIGN(2048) と書いたとき

ection Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .init             PROGBITS        80000000 001000 000068 00  AX  0   0  1
  [ 2] .text             PROGBITS        80000100 001100 002b2c 00  AX  0   0 256
  [ 3] .rodata.align     PROGBITS        80002c2c 004010 000000 00  WA  0   0  1
  [ 4] .rodata           PROGBITS        80002c2c 003c2c 00017c 00   A  0   0  4
  [ 5] .data.align       PROGBITS        80080000 004010 000000 00  WA  0   0  1
  [ 6] .data             PROGBITS        80080000 004000 000010 00  WA  0   0  4
  [ 7] .bss.align        NOBITS          80080010 004010 0007f0 00  WA  0   0  1
  [ 8] .bss              NOBITS          80080800 004800 0040c0 00  WA  0   0 16    ★2KB alignになっている
  [ 9] .stack            NOBITS          800848c0 0048c0 00012c 00  WA  0   0  1

ALIGN(4) をALIGN(2048) など、大きめの値に変えたときの様子を載せました。変なセクション .*.alignがアドレスのアラインメントをしている様子が nmでもreadelfでもわかりやすいですよね？だめ？上記は .bssの例ですが、他のセクションでも同様です。

ブートコード

ブートコードはアセンブラで書く必要があります。

ブートコード

// freertos/FreeRTOS/Demo/RISC-V-Qemu-virt_GCC/start.S

#include "riscv-reg.h"

#if __riscv_xlen == 32
#define REGSIZE		4
#define LOAD		lw
#define STOR		sw
#elif __riscv_xlen == 64
#define REGSIZE		8
#define LOAD		ld
#define STOR		sd
#endif /* __riscv_xlen */

	.section .init
	.globl _start
	.type _start,@function
_start:
	.cfi_startproc
	.cfi_undefined ra
.option push
.option norelax
	la gp, __global_pointer$
.option pop

	la sp, _stack0_top

	# Load data section
	la a0, _data_lma
	la a1, _data
	la a2, _edata
	bgeu a1, a2, 2f
1:
	LOAD t0, (a0)
	STOR t0, (a1)
	addi a0, a0, REGSIZE
	addi a1, a1, REGSIZE
	bltu a1, a2, 1b
2:

	# Clear bss section
	la a0, _bss
	la a1, _ebss
	bgeu a0, a1, 2f
1:
	STOR zero, (a0)
	addi a0, a0, REGSIZE
	bltu a0, a1, 1b
2:

	/* argc, argv, envp is 0 */
	li a0, 0
	li a1, 0
	li a2, 0
	j main
	.cfi_endproc

実装は非常に単純です。.dataをROM領域からRAM領域にコピーし、.bssを0クリアしてmain() に飛ぶだけです。

以上の実装でビルドして（makeするだけ）、動かします。

動作確認
$ qemu-system-riscv32 -nographic -machine virt -net none -chardev stdio,id=con,mux=on -serial chardev:con -mon chardev=con,mode=readline -bios none -kernel a.out

Hello FreeRTOS!
Blink

Blink

Blink

...

動きましたね。良かった良かった。 改行が余計に入っちゃってるのが気になる場合はmain.cの "Blink\r\n" を "Blink\n" にすると治ります。

編集者:すずき(2023/09/24 08:51)

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