RPi OS 入门：裸机 “Hello, World!”

简要描述此文件夹的主要组件：

1. Makefile ：将使用 make 实用程序来构建内核. make的行为由Makefile配置, 该文件包含有关如何编译和链接源代码的说明
2. build.sh or _build.bat_： 如果要使用Docker构建内核, 则需要这些文件. 您无需在笔记本电脑上安装make实用程序或编译器工具链
3. src ： 此文件夹包含所有源代码
4. include ：所有的头文件都放在这里

现在, 来仔细看看项目Makefile

make程序的主要目的是自动确定需要重新编译什么程序的片段, 并发出命令来重新译编

下面列出了整个Makefile：

ARMGNU ?= aarch64-linux-gnu

COPS = -Wall -nostdlib -nostartfiles -ffreestanding -Iinclude -mgeneral-regs-only
ASMOPS = -Iinclude 

BUILD_DIR = build
SRC_DIR = src

all : kernel8.img

clean :
rm -rf $(BUILD_DIR) *.img 

$(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)

kernel8.img: $(SRC_DIR)/linker.ld $(OBJ_FILES)
$(ARMGNU)-ld -T $(SRC_DIR)/linker.ld -o $(BUILD_DIR)/kernel8.elf  $(OBJ_FILES)
$(ARMGNU)-objcopy $(BUILD_DIR)/kernel8.elf -O binary kernel8.img

现在, 来详细阐述该文件：

ARMGNU ?= aarch64-linux-gnu

Makefile以变量定义开头. ARMGNU 是交叉编译器前缀. 因为正在x86计算机上编译arm64体系结构的源代码, 我们需要 交叉编译. 因此, 将使用 aarch64-linux-gnu-gcc 代替 gcc

COPS = -Wall -nostdlib -nostartfiles -ffreestanding -Iinclude -mgeneral-regs-only
ASMOPS = -Iinclude 

COPS 和 ASMOPS 是在编译C和汇编代码时分别传递给编译器的选项.这些选项的简短说明：

• -Wall : 显示所有警告

• -nostdlib : 不使用C的标准库

  C标准库中的大多数函数调用最终都会与操作系统交互
  
  我们正在编写一个裸机程序, 并且没有任何底层操作系统, 因此C标准库无论如何都无法工作
  

• -nostartfiles 不要使用标准的启动文件

  启动文件负责设置初始堆栈指针, 初始化静态数据以及跳转到主入口点
  
  这里需要我们自己完成所有这一切
  

• -ffreestanding 独立环境 (ffreestanding)是标准库不存在的环境, 并且程序启动入口不是主要的

  选项-ffreestanding指示编译器不需要定义标准函数具有其通常的意义
  

• -Iinclude : 在 include 文件夹中搜索头文件

• -mgeneral-regs-only : 仅使用通用寄存器. ARM处理器还具有 NEON 寄存器

  不希望编译器使用它们, 因为它们会增加额外的复杂性
  
  例如, 因为需要在上下文切换期间存储寄存器
  

  BUILD_DIR = build
  SRC_DIR = src
  

SRC_DIR 和 BUILD_DIR 是分别包含源代码和编译后Object文件的目录

all : kernel8.img

clean :
rm -rf $(BUILD_DIR) *.img 

接下来, 定义make目标. 前两个参数非常简单:

• all 参数是 默认 目标, 每当输入不带任何参数的make时, 它就会执行

  make 始终使用第一个参数作为默认参数
  
  这个参数只是将所有工作重定向到另一个参数, kernel8.img
  

• clean 参数负责删除所有编译附加文件和已编译内核映像

$(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 $@

接下来的两个参数负责编译C和汇编文件

 例如, 如果在 src 文件夹中有 foo.c 和 foo.S 文件

他们将会分别被编译为 build/foo_c.o 和 build/foo_s.o

$< 和 $@ 在运行时将被替换成 输入 文件名和 输出 文件名 (foo.c and foo_c.o). 在编译C文件之前, 还创建了一个 build 目录, 以防该目录不存在

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)

在这里, 正在构建一个由C和汇编源文件的串联创建的目标文件 OBJ_FILES 的数组

DEP_FILES = $(OBJ_FILES:%.o=%.d)
-include $(DEP_FILES)

接下来的两行有些棘手. 如果看一下如何为C和汇编源文件定义编译目标, 会注意到我们使用了 -MMD 参数. 这个参数指示gcc编译器为每个生成的目标文件创建一个 依赖文件 。依赖性文件定义了特定源文件的所有依赖性. 这些依赖项通常包含所有包含的头文件的列表. 需要包括所有生成的依赖文件, 以便在头文件更改时知道要重新编译的内容

$(ARMGNU)-ld -T $(SRC_DIR)/linker.ld -o kernel8.elf  $(OBJ_FILES)

使用链接器脚本 src /linker.ld 定义生成的 可执行映像的基本布局

$(ARMGNU)-objcopy kernel8.elf -O binary kernel8.img

kernel8.elf 遵循 ELF 格式

问题是ELF文件设计为由操作系统执行

要编写裸机程序, 需要从ELF文件中提取所有可执行文件和数据段, 然后将它们放入 kernel8.img 中

尾部的 8 表示ARMv8, 它是64位体系结构. 该文件名告诉固件将处理器引导到64位模式

也可以使用config.txt文件中的arm_control = 0x200标志以64位模式引导CPU

RPi OS以前使用此方法, 仍然可以在一些练习答案中找到它. 然而, arm_control标志没有文档, 最好使用kernel8.img命名约定

链接描述文件的主要目的是描述如何将输入目标文件 (_c.o和_s.o) 中的 段 映射 到 输出文件(.elf) 中

这里可以找到有关链接描述文件的更多信息: https://sourceware.org/binutils/docs/ld/Scripts.html#Scripts

现在看一下RPi OS链接器脚本:

SECTIONS
{
    .text.boot : { *(.text.boot) }
    .text :  { *(.text) }
    .rodata : { *(.rodata) }
    .data : { *(.data) }
    . = ALIGN(0x8);
    bss_begin = .;
    .bss : { *(.bss*) } 
    bss_end = .;
}

1. 启动后, Raspberry Pi将 kernel8.img 加载到内存中, 并从文件开头开始执行

   这就是为什么.text.boot部分必须放在第一的原因
   
   也因此操作系统引导代码将被放到这里
   

2. .text, .rodata , 和 .data 部分分别包含内核编译的 代码段 , 只读数据段 , 和 一般数据段
3. .bss 部分包含 应 初始化 为 0 的数据

   • 通过将此类数据放在单独的段中, 编译器可以在ELF二进制文件中节省一些空间

     只有段大小存储在ELF标头中, 但段本身被省略
     

   • 将img加载到内存后, 必须手动将 .bss 部分初始化为0;

     这就是为什么需要记录本段的开始和结束
     
     也就是bss_begin和bss_end符号
     

   • 对齐该段, 使其以 8 的倍数开头的地址开始

     如果该部分未对齐, 使用str指令在bss节的开头存储0会更加困难
     
     因为str指令只能与8字节对齐的地址一起使用
     

现在是时候看看 boot.S 文件了. 此文件包含内核启动代码：

        #include "mm.h"

        .section ".text.boot"

        .globl _start
_start:
        mrs    x0, mpidr_el1        
        and    x0, x0,#0xFF        // Check processor id
        cbz    x0, master        // Hang for all non-primary CPU
        b    proc_hang

proc_hang: 
        b proc_hang

master:
        adr    x0, bss_begin
        adr    x1, bss_end
        sub    x1, x1, x0
        bl     memzero

        mov    sp, #LOW_MEMORY
        bl    kernel_main

让我们详细查看该文件：

.section ".text.boot"

首先, 指定在boot.S中的所有内容都应在 .text.boot 部分中. 前面已经看到, 该节通过链接描述文件放置在内核映像的开头。因此, 当内核启动时, 执行从 start 函数开始：

        .globl _start
_start:
        mrs    x0, mpidr_el1        
        and    x0, x0,#0xFF        // Check processor id
        cbz    x0, master        // Hang for all non-primary CPU
        b    proc_hang

这个函数做的第一件事就是检查 processor id . Raspberry Pi 3 有四个核心, 设备开启之后, 每个核心处理相同的代码

然而, 现在不需要四个核心都工作; 希望只是用第一个核心并且将其他核心放到尾部的无穷循环中

这就是 _start 函数的做的事情. 从 mpidr_el1 系统寄存器获取 processor ID. 如果当前 process ID 是 0, 之后执行跳转到 master 函数:

master:
        adr    x0, bss_begin
        adr    x1, bss_end
        sub    x1, x1, x0
        bl     memzero

在这里, 通过调用 memzero 来清理 .bss段

稍后将定义 memzero 函数

在ARMv8架构中, 按照惯例, 前七个参数通过寄存器 x0 – x6 传递给调用的函数

memzero 函数仅接受两个参数: 起始地址 (bss_begin) 以及需要清理的部分的大小 (bss_end - bss_begin) 

mov    sp, #LOW_MEMORY
bl    kernel_main

清理 .bss段 后, 接着 初始化 堆栈指针 并将 执行 传递 给 kernel_main 函数

Raspberry Pi在地址0加载内核，这就是为什么可以将初始堆栈指针设置到足够高的任何位置的原因

即使当堆栈映像变得足够大时, 堆栈不会覆盖内核映像

LOW_MEMORY 在 mm.h 中定义等于 4MB

我们的内核堆栈不会变得很大, 并且img本身很小, 因此4MB已经绰绰有余

已经看到引导代码最终将控制权传递给了 kernel_main 函数：

#include "mini_uart.h"

void kernel_main(void)
{
    uart_init();
    uart_send_string("Hello, world!\r\n");

    while (1) {
        uart_send(uart_recv());
    }
}

此函数是内核中最简单的函数之一. 它与 Mini UART 设备 打印到屏幕并读取用户输入. 内核只是打印 Hello, world! 然后进入无限循环, 此循环从用户读取字符并将其发送回屏幕

Raspberry Pi的启动顺序如下(简化):

1. 设备上电
2. GPU启动并从启动分区读取 config.txt 文件. 该文件包含一些配置参数, GPU使用这些参数进一步调整启动顺序
3. kernel8.img 被加载到内存中并执行

为了能够运行我们的简单操作系统, config.txt文件应为以下文件:

kernel_old=1
disable_commandline_tags=1

• kernel_old=1: 内核将被加载到内存地址0
• disable_commandline_tags: gpu不会传递任何参数给加载的内核

现在已经遍历了所有源代码, 是时候来看一下它的工作了

要构建和测试内核, 需要执行以下操作：

1. 执行 ./build.sh 或者 ./build.bat 从 src/lesson01 去构建内核

2. 将生成的 kernel8.img 文件 复制 到 Raspberry Pi 闪存卡的 boot 分区 和 删除 kernel7.img

   请保留启动分区中的所有其他文件
   

3. 如上一节所述修改 config.txt 文件
4. 连接 USB至TTL 串行电缆
5. 给 Raspberry Pi 供电
6. 打开终端模拟器. 应该可以在那里看到 Hello, world！ 消息

请注意, 上述步骤顺序假定 SD卡上已安装Raspbian

当然也可以使用空的SD卡运行RPi OS

1. 准备 SD卡:
   • 使用 MBR分区表

   • 将 boot 分区格式化为 FAT32

     该卡的格式应与安装Raspbian所需的格式完全相同
     
     可以查看 HOW TO FORMAT AN SD CARD AS FAT 部分在 official documenation 官方文档 来获取更多信息
     

2. 将以下文件复制到卡中：
   • bootcode.bin : 这是 GPU引导程序 , 它包含用于 启动 GPU和 加载 GPU固件的GPU代码
   • start.elf 这是 GPU固件 . 它 读取 config.txt , 并使GPU从 kernel8.img 加载并运行ARM特定的用户代码
3. 复制 kernel8.img 和 config.txt 文件
4. 连接 USB至TTL 串行电缆
5. 给 Raspberry Pi 供电
6. 使用终端仿真器连接到RPi OS

不幸的是, 所有Raspberry Pi固件文件都是闭源的没有文档

有关Raspberry Pi启动顺序的更多信息, 可以参考一些非官方的资料, 比如
(https://raspberrypi.stackexchange.com/questions/10442/what-is-the-boot-sequence) StackExchange 问​​题
(https://github.com/DieterReuter/workshop-raspberrypi-64bit-os/blob/master/part1-bootloader.md) 这个 Github 仓库