Step by step RTOS for study embedded FW programming.
나빌로스는 임베디드 펌웨어 프로그래밍을 공부하기 위해 제작한 작고 간단한 RTOS입니다.
원본 소스코드는 https://github.com/navilera/Navilos 를 참조하세요.
Zig 빌드 시스템은 크로스 컴파일을 지원합니다.
Zig의 빌드 시스템을 실험삼아 이용해보기 위해서 Navilos의 Makefile을 build.zig로 포팅해보았습니다.
사용하는 Zig 버전은 0.11.0-dev.3936+8ae92fd17입니다.
우선, 우리가 무엇을 빌드하는 것인지 알아야합니다.
navilos의 Makefile을 이용해 navilos.axf를 빌드해봅시다.
$ make
$ file build/navilos.axf
build/navilos.axf: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), statically linked, with debug_info, not stripped
32비트, 리틀엔디언, ARM 아키텍처의 정적 링크된 ELF입니다. 운영체제 그 자체이므로 당연히 정적 링크되어 있습니다.
어떤 컴파일러를 사용했을까요? Makefile을 한번 열어봅시다.
ARCH = armv7-a
MCPU = cortex-a8
TARGET = rvpb
CC = arm-none-eabi-gcc
AS = arm-none-eabi-as
LD = arm-none-eabi-gcc
OC = arm-none-eabi-objcopy
CFLAGS = -c -g -std=c11
LDFLAGS = -nostartfiles -nostdlib -nodefaultlibs -static -lgcc
...
build/%.o: %.c
mkdir -p $(shell dirname $@)
$(CC) -march=$(ARCH) -mcpu=$(MCPU) -marm $(INC_DIRS) $(CFLAGS) -o $@ $<정리해보면
- ARMv7-A 아키텍처의 Cortex-A8 프로세서를 타겟으로 합니다.
- 운영체제를 거치지 않고 CPU에 의해 바로 실행되므로
-nostartfiles -nostdlib -nodefaultlibs옵션을 사용합니다.-nostartfiles: 표준 시스템 startup 파일을 사용하지 않습니다. (_start등의 함수가 추가되지 않습니다.)-nostdlib: 표준 시스템 startup 파일과 라이브러리를 사용하지 않습니다. 링커에 명시적으로 전달한 라이브러리만 링크합니다.-nodefaultlibs: 표준 시스템 라이브러리를 링크하지 않습니다.
-static: 정적 링크합니다.-lgcc:libgcc를 링크합니다.-nostdlib과-nodefaultlibs를 사용할 때 필요합니다.libgcc는 타켓 머신이 바로 수행할 수 없는 연산을 수행할 수 있도록 해주는 런타임 라이브러리입니다. (참조: https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gccint/Libgcc.html)
이제 이를 build.zig로 옮겨 봅시다.
제일 먼저 컴파일 타겟을 설정합니다.
const cpu = arm.cpu.cortex_a8.toCpu(Cpu.Arch.arm);
const compilationTarget = std.Target{
.cpu = cpu,
.os = Os{
.tag = std.Target.Os.Tag.freestanding,
.version_range = Os.VersionRange.default(Os.Tag.freestanding, Cpu.Arch.arm),
},
.abi = std.Target.Abi.eabi,
.ofmt = std.Target.ObjectFormat.elf,
};
const crossTarget = std.zig.CrossTarget.fromTarget(compilationTarget);
const target = b.standardTargetOptions(.{
.default_target = crossTarget,
});
const optimize = b.standardOptimizeOption(.{});cortex-a8CPU 모델을 이용해cpu를 설정합니다.- 운영체제는
freestanding으로 설정합니다. 의존하는 운영체제가 없습니다. Zig 빌드 시스템은 운영체제가freestanding으로 설정되면-nostartfiles -nostdlib -nodefaultlibs옵션을 사용한 것처럼 표준 startup 파일이나 라이브러리를 사용하지 않습니다. - ABI는
eabi로 설정합니다.eabi는 임베디드 환경을 위한 ABI입니다. (동적 링크를 사용할 수 없습니다.) -lgcc는 어떻게 해결할까요? Zig 빌드 시스템은 링크 시compiler_rt를 사용해 필요한 경우에만 링크합니다.compiler_rt는 LLVM 생태계에서libgcc와 비슷한 일을 하는 라이브러리입니다. (프로세서가 지원하지 않는 연산을 수행 등).
navilos는 여러 파일을 컴파일해 얻는 실행파일입니다.
아래와 같이 설정하면 각 파일을 컴파일한 뒤 링킹해 최종 ELF를 얻을 수 있습니다.
각 파일을 컴파일해 얻은 오브젝트 파일은 zig-cache 디렉터리에서 찾을 수 있습니다.
const navilos = b.addExecutable(.{
.name = "navilos",
.target = target,
.optimize = optimize,
});
navilos.addAssemblyFile("boot/Entry.S");
navilos.addCSourceFiles(
&.{
"boot/Handler.c",
"boot/Main.c",
"kernel/Kernel.c",
"kernel/task.c",
"kernel/event.c",
"lib/armcpu.c",
"lib/stdio.c",
"lib/stdlib.c",
"lib/switch.c",
"hal/rvpb/Uart.c",
"hal/rvpb/Timer.c",
"hal/rvpb/Regs.c",
"hal/rvpb/Interrupt.c",
},
&.{
"-std=c11",
// "-mthumb-interwork",
},
);
navilos.addIncludePath("include");
navilos.addIncludePath("hal");
navilos.addIncludePath("lib");
navilos.addIncludePath("kernel");링커 스크립트를 설정합니다. 현재 타겟 CPU는 전원이 들어오면 0x00000000에 있는 리셋 벡터를 읽기 때문에 해당 주소에 부트를 위한 코드를 위치시켜야 합니다.
링커 스크립트를 통해서 코드의 위치를 정해줍시다.
navilos.setLinkerScriptPath(std.Build.FileSource{
.path = "navilos.ld",
});
b.installArtifact(navilos);// navilos.ld
ENTRY(vector_start)
SECTIONS
{
. = 0x0;
.text :
{
*(vector_start)
*(.text .rodata)
}
.data :
{
*(.data)
}
.bss :
{
*(.bss)
}
}
그 다음 실행과 디버깅을 위한 명령어를 추가해줍니다.
const run_navilos = b.addSystemCommand(&[_][]const u8{
"qemu-system-arm",
"-M",
"realview-pb-a8",
"-nographic",
"-kernel",
});
run_navilos.addArtifactArg(navilos);
run_navilos.step.dependOn(&navilos.step);
const run_step = b.step("run", "Run navilos on qemu-system-arm");
run_step.dependOn(&run_navilos.step);
const debug_navilos = b.addSystemCommand(&[_][]const u8{
"qemu-system-arm",
"-M",
"realview-pb-a8",
"-nographic",
"-S",
"-gdb",
"tcp::1234,ipv4",
"-kernel",
});
debug_navilos.addArtifactArg(navilos);
debug_navilos.step.dependOn(&navilos.step);
const debug_step = b.step("debug", "Debug navilos on qemu-system-arm");
debug_step.dependOn(&debug_navilos.step);zig build, zig build run, zig build debug를 통해 빌드, 실행, 디버깅 실행할 수 있습니다.
한번 navilos를 빌드해봅시다.
$ file zig-out/bin/navilos
zig-out/bin/navilos: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), statically linked, with debug_info, not stripped
빌드가 잘 됩니다!
실행해보면 어떨까요?
$ zig build run
pulseaudio: set_sink_input_volume() failed
pulseaudio: Reason: Invalid argument
pulseaudio: set_sink_input_mute() failed
pulseaudio: Reason: Invalid argument
vutsrqponmlkjihgfedcbazyxwvutsrqponmlkjihgfedcbazyxwvutsrqponmlkjihgfedcbazyxwvutsrqponmlkjihgfedcba
Hello World!
Hello printf
output string pointer: printf pointer test
Printf_test에서 작동을 멈춰버렸습니다. 어디서 문제가 발생한 걸까요?
일단 컴파일이 잘된건지 확인해봅시다.
$ arm-none-eabi-objdump -h zig-out/bin/navilos
zig-out/bin/navilos: file format elf32-littlearm
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .ARM.exidx 00000010 00000000 00000000 00010000 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
1 .rodata.str1.1 000001d4 00000010 00000010 00010010 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
2 .text 00002b94 000001e4 000001e4 000101e4 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
3 .text.__aeabi_uidiv 00000084 00002d78 00002d78 00012d78 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
4 .text.__udivmodsi4 00000098 00002dfc 00002dfc 00012dfc 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
5 .text.__aeabi_uidivmod 0000001c 00002e94 00002e94 00012e94 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
6 .data 00000010 00002eb0 00002eb0 00012eb0 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
7 .bss 00000a14 00002ec0 00002ec0 00012ec0 2**2
ALLOC
...
$ arm-none-eabi-objdump -h build/navilos.axf
build/navilos.axf: file format elf32-littlearm
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .text 0000188c 00000000 00000000 00000054 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
1 .data 00000010 0000188c 0000188c 000018e0 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
2 .bss 00000a14 0000189c 0000189c 000018f0 2**2
ALLOC
...
zig build의 결과, make의 결과와 다르게 .text 섹션의 위치가 다릅니다.
.text 섹션의 위치가 0x00000000가 아닌 0x000001e4로 올라갔습니다.
arm-none-eabi-gcc를 사용했을 때에는 링커 스크립트를 위처럼만 작성해도
.text 섹션이 0x00000000에 위치했지만, zig build-exe를 사용했을 때에는
.text 섹션이 0x00000000에 위치하지 않습니다. 링커 스크립트를 좀 더 엄격하게 작성해봅시다.
MEMORY {
MEM (rwx): ORIGIN = 0x0, LENGTH = 128M
}
ENTRY(vector_start)
SECTIONS
{
. = 0x0;
.text :
{
*(vector_start)
*(.text .rodata)
} > MEM
.data :
{
*(.data)
}
.bss :
{
*(.bss)
}
}
qemu-system-arm이 기본제공하는 메모리는 128MB이기 때문에 MEM 영역을 128M로 설정합니다.
0x00000000에서 시작하는 MEM 영역에 .text를 위치시킵니다.
다시 빌드해봅시다.
$ zig build
$ arm-none-eabi-objdump -h zig-out/bin/navilos
zig-out/bin/navilos: file format elf32-littlearm
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .text 00002b94 00000000 00000000 00010000 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
1 .text.__aeabi_uidiv 00000084 00002b94 00002b94 00012b94 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
2 .text.__udivmodsi4 00000098 00002c18 00002c18 00012c18 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
3 .text.__aeabi_uidivmod 0000001c 00002cb0 00002cb0 00012cb0 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
4 .ARM.exidx 00000010 00002ccc 00002ccc 00012ccc 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
5 .rodata.str1.1 000001d4 00002cdc 00002cdc 00012cdc 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
6 .data 00000010 00002eb0 00002eb0 00012eb0 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
7 .bss 00000a14 00002ec0 00002ec0 00012ec0 2**2
ALLOC
...
.text 섹션이 0x00000000로 잘 이동했습니다!
다시 실행해볼까요.
$ zig build run
pulseaudio: set_sink_input_volume() failed
pulseaudio: Reason: Invalid argument
pulseaudio: set_sink_input_mute() failed
pulseaudio: Reason: Invalid argument
vutsrqponmlkjihgfedcbazyxwvutsrqponmlkjihgfedcbazyxwvutsrqponmlkjihgfedcbazyxwvutsrqponmlkjihgfedcba
Hello World!
Hello printf
output string pointer: printf pointer test
(null) is null pointer, 10 number
5 = 5
dec=255 hex=FF
print zero 0
SYSCTRL0 0
printf works!
current count : 2
current count : 1002
current count : 2002
User_task0: SP = 0x8FFFF0
User_task1: SP = 0x9FFFF0
User_task2: SP = 0xAFFFF0
a
Event Handled by Task0
Event Handled by Task1
s
Event Handled by Task0
Event Handled by Task1
d
Event Handled by Task0
Event Handled by Task1
n
Event Handled by Task0
Event Handled by Task1
putstr이 잘 작동합니다.debug_printf도 잘 작동합니다.- 타이머도 잘 작동하고 있습니다.
- 유저 태스크 스택 초기화도 잘 일어나고 있습니다.
- 유저 태스크 컨텍스츠 스위칭도 잘 일어나고 있습니다.
- 인터럽트와 이벤트도 잘 작동하고 있습니다.
이제 잘 실행됩니다!
.text가 0x00000000에 위치하지 않았을 때 왜 실행되다가 멈췄는지 모르겠네요. 애초에 실행되면 안되는 것이 아닌가요?-mthumb-interwork컴파일러 옵션을 포팅 후 사용하지 않았습니다.Makefile에서도 삭제해도 아무런 문제가 없었는데, 어떤 역할을 하는 옵션인지 정확히 알 수가 없습니다.
-
https://ziggit.dev/t/help-needed-to-port-makefile-to-build-zig-for-arm-v7a-rtos/1266/2
Zig 프로젝트의 리더 Andrew Kelly가 컴파일 옵션에 대해 설명해주었습니다.
compiler_rt에 대해 처음 알게 되었습니다.