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FreeRTOS で遊ぼう その 4 - FreeRTOS のパッチ投稿

目次: FreeRTOS を調べる - まとめリンク

FreeRTOS に RISC-V QEMU virtpc のパッチをぶん投げてみました。やり方は GitHub でプルリクエストを送れば良いみたいです(説明へのリンク(FreeRTOS/CONTRIBUTING.md))。

FreeRTOS には既に QMEU のプロジェクトはある(SiFive HiFive1 エミュレーション環境向けの Eclipse プロジェクトがある)から要らないよ!?と言われることが目に浮かびますが、それならそれで良し。今後なにかの役に立つでしょう。

FreeRTOS はインデントやコード記法が非常に特徴的で、とても書きにくかったです。

  • 関数名、変数名はハンガリアン記法
  • 変数宣言だけなぜか字下げなし
  • キャメルケース
  • Tab を使う(タブ幅は 4)
  • カッコ前後にはスペースを入れる
  • 中カッコは次の行
FreeRTOS の特徴的なインデントルールの例

void vFunc( int aaa )
{
int xBbb;

    if( aaa )
    {
        /* do something */
        xBbb = 0;
    }
}

クセが強すぎる。何でこんな記法にしたのやら……??

メモ: 技術系?の話は Facebook から転記しておくことにした。色々と加筆。

[編集者: すずき]
[更新: 2020年 9月 14日 10:20]

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MATLAB のインストール

自動車業界(だけじゃないですが)で重宝されている MATLAB を家で使えることになったので、インストールしてみました。

ダウンロードは Mathworks のサイトからできますが、たぶん会社や学校からもらえるアカウント、アクティベーション番号が必要です。MATLAB は個人でも買えますがメチャクチャ値段が高く、私は買う気は起きません……。

MATLAB は Debian 9, Debian 10 には対応しています(System Requirements for MATLAB R2020a - MATLAB & Simulink)が、Debian Testing には対応していません。インストーラを起動した瞬間にクラッシュします。

Debian Testing: 通常版インストーラはクラッシュ
$ cd matlab_archive
$ unzip matlab_R2020a_glnxa64.zip

$ ./install

terminate called after throwing an instance of 'std::runtime_error'
  what():  Unable to launch the MATLABWindow application
Aborted

ありがたいことに、Linux 向けの MATLAB インストーラは通常版と legacy 版が同梱されています。

Debian Testing: legacy 版のインストーラは動く
$ cd matlab_archive
$ unzip matlab_R2020a_glnxa64.zip

$ bin/glnxa64/install_unix_legacy

推奨された使い方ではないと思いますが legacy 版ならばインストーラが動きます。質問にはハイハイ答えておけば、そんなに問題ないはずです。

起動するとき

MATLAB を起動するときに変なエラーが出ます。

g_ptr_array_copy が見つからない
$ matlab

MATLAB is selecting SOFTWARE OPENGL rendering.
matlab_install_dir/bin/glnxa64/jcef_helper: symbol lookup error: /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libpango-1.0.so.0: undefined symbol: g_ptr_array_copy

このエラーは MATLAB の動的ライブラリの構成がおかしいことが原因です。libglib-2.0.so を MATLAB 内部に抱えているのですが、libpango-1.0.so はシステム側を使うため、バージョンの非互換が発生します。libpango-1.0.so も内部に抱えれば良いのに??何だか中途半端な作りですね。

システム側の libglib-2.0.so を使う
$ ldd bin/glnxa64/jcef_helper | grep glib

libglib-2.0.so.0 => matlab_install_dir/bin/glnxa64/../../cefclient/sys/os/glnxa64/libglib-2.0.so.0 (0x00007f43ac828000)

★MATLAB 内部に抱えているライブラリをダイナミックリンクする


$ cd matlab_install_dir/cefclient/sys/os/glnxa64
$ mv libglib-2.0.so _libglib-2.0.so
$ mv libglib-2.0.so.0 _libglib-2.0.so.0
$ mv libglib-2.0.so.0.5600.1 _libglib-2.0.so.0.5600.1

$ ldd bin/glnxa64/jcef_helper | grep glib

libglib-2.0.so.0 => /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libglib-2.0.so.0 (0x00007f10b2e6d000)

★システム側のライブラリをダイナミックリンクする

MATLAB の内部で抱えている libglib-2.0.so を無視して、システム側の libglib-2.0.so をダイナミックリンクすればエラーは出ません。これも推奨された使い方ではないと思いますが、とりあえず動いたのでめでたしめでたし。

[編集者: すずき]
[更新: 2020年 9月 11日 07:54]

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FreeRTOS を調べる - まとめリンク

日記が増えすぎて、一覧が欲しくなってきたので作りました。

今後、日記が増えたら追加します。

[編集者: すずき]
[更新: 2020年 9月 14日 10:21]

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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 を調べる - まとめリンク

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" にすると治ります。

[編集者: すずき]
[更新: 2020年 9月 5日 22:39]

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FreeRTOS で遊ぼう その 2 - FreeRTOS を virt に移植(ドライバ準備編)

目次: FreeRTOS を調べる - まとめリンク

前回は既にあるデモアプリのビルドシステムを組み替えて RISC-V QEMU sifive_e マシン(SiFive HiFive1 相当)上で FreeRTOS を動かしました。今回は RISC-V QEMU virt マシン上で FreeRTOS を動かします。

マシンの違いですが、まず UART が違います。HiFive1 は SiFive UART、virt は 16550 です。UART を動かすための簡易的なドライバを書きます。

16550 の出力だけするドライバ

// freertos/FreeRTOS/Demo/RISC-V-Qemu-virt_GCC/ns16550.c

#include <stdint.h>

#include "ns16550.h"

/* register definitions */
#define REG_RBR		0x00 /* Receiver buffer reg. */
#define REG_THR		0x00 /* Transmitter holding reg. */
#define REG_IER		0x01 /* Interrupt enable reg. */
#define REG_IIR		0x02 /* Interrupt ID reg. */
#define REG_FCR		0x02 /* FIFO control reg. */
#define REG_LCR		0x03 /* Line control reg. */
#define REG_MCR		0x04 /* Modem control reg. */
#define REG_LSR		0x05 /* Line status reg. */
#define REG_MSR		0x06 /* Modem status reg. */
#define REG_SCR		0x07 /* Scratch reg. */
#define REG_BRDL	0x00 /* Divisor latch (LSB) */
#define REG_BRDH	0x01 /* Divisor latch (MSB) */

/* Line status */
#define LSR_DR			0x01 /* Data ready */
#define LSR_OE			0x02 /* Overrun error */
#define LSR_PE			0x04 /* Parity error */
#define LSR_FE			0x08 /* Framing error */
#define LSR_BI			0x10 /* Break interrupt */
#define LSR_THRE		0x20 /* Transmitter holding register empty */
#define LSR_TEMT		0x40 /* Transmitter empty */
#define LSR_EIRF		0x80 /* Error in RCVR FIFO */

uint8_t readb( uintptr_t addr )
{
	return *((uint8_t *) addr );
}

void writeb( uint8_t b, uintptr_t addr )
{
	*((uint8_t *) addr ) = b;
}

void ns16550_out( struct device *dev, unsigned char c )
{
	uintptr_t addr = dev->addr;

	while ( (readb( addr + REG_LSR ) & LSR_THRE) == 0 ) {
		/* busy wait */
	}

	writeb( c, addr + REG_THR );
}

このドライバは初期化も設定も何もせず、いきなり出力だけ行う手抜き実装です。QEMU では動きますが、おそらく実機では動かないでしょう。

main を書き換える

元のコードは main.c にSiFive UART 用のシリアルの出力コードが入っているので、これを削ります。また main.c と main_blinky.c, main_full.c に別れていますが、あまり複雑なデモは要りません。main_full.c の方は削って、main.c に統合します。

main.c(一部)

// freertos/FreeRTOS/Demo/RISC-V-Qemu-virt_GCC/main.c

static void prvQueueSendTask( void *pvParameters )
{
TickType_t xNextWakeTime;
const unsigned long ulValueToSend = 100UL;
BaseType_t xReturned;

	/* Remove compiler warning about unused parameter. */
	( void ) pvParameters;

	/* Initialise xNextWakeTime - this only needs to be done once. */
	xNextWakeTime = xTaskGetTickCount();

	for( ;; )
	{
		/* Place this task in the blocked state until it is time to run again. */
		vTaskDelayUntil( &xNextWakeTime, mainQUEUE_SEND_FREQUENCY_MS );

		/* Send to the queue - causing the queue receive task to unblock and
		toggle the LED.  0 is used as the block time so the sending operation
		will not block - it shouldn't need to block as the queue should always
		be empty at this point in the code. */
		xReturned = xQueueSend( xQueue, &ulValueToSend, 0U );
		configASSERT( xReturned == pdPASS );
	}
}

/*-----------------------------------------------------------*/

static void prvQueueReceiveTask( void *pvParameters )
{
unsigned long ulReceivedValue;
const unsigned long ulExpectedValue = 100UL;
const char * const pcPassMessage = "Blink\r\n";
const char * const pcFailMessage = "Unexpected value received\r\n";

	/* Remove compiler warning about unused parameter. */
	( void ) pvParameters;

	for( ;; )
	{
		/* Wait until something arrives in the queue - this task will block
		indefinitely provided INCLUDE_vTaskSuspend is set to 1 in
		FreeRTOSConfig.h. */
		xQueueReceive( xQueue, &ulReceivedValue, portMAX_DELAY );

		/*  To get here something must have been received from the queue, but
		is it the expected value?  If it is, toggle the LED. */
		if( ulReceivedValue == ulExpectedValue )
		{
			puts( pcPassMessage );
			ulReceivedValue = 0U;
		}
		else
		{
			puts( pcFailMessage );
		}
	}
}

/*-----------------------------------------------------------*/

int main( void )
{
	puts( "Hello FreeRTOS!" );

	/* Create the queue. */
	xQueue = xQueueCreate( mainQUEUE_LENGTH, sizeof( uint32_t ) );

	if( xQueue != NULL )
	{
		/* Start the two tasks as described in the comments at the top of this
		file. */
		xTaskCreate( prvQueueReceiveTask, "Rx", configMINIMAL_STACK_SIZE * 2U, NULL,
					mainQUEUE_RECEIVE_TASK_PRIORITY, NULL );
		xTaskCreate( prvQueueSendTask, "TX", configMINIMAL_STACK_SIZE * 2U, NULL,
					mainQUEUE_SEND_TASK_PRIORITY, NULL );
	}

	vTaskStartScheduler();

	return 0;
}


// freertos/FreeRTOS/Demo/RISC-V-Qemu-virt_GCC/riscv-virt.c

int puts( const char *s )
{
	struct device dev;
	size_t i;

	dev.addr = NS16550_ADDR;

	for (i = 0; i < strlen(s); i++)
	{
		ns16550_out( &dev, s[i] );
	}
	ns16550_out( &dev, '\n' );

	return 0;
}

別に POSIX 信者というわけでもないんですが、ついでに puts() もどきを実装しておきました。

続きはまた今度。

[編集者: すずき]
[更新: 2020年 9月 5日 22:39]

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