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裸机程序

初识裸机程序

我们以往写用户程序时，通常都只关注代码本身，而将运行时的环境交给了编译器等系统软件进行处理，但我们若要编写裸机程序，就需要进一步揭开运行时环境的神秘面纱。 下表揭示了裸机程序与用户程序的区别：

对比对象 裸机程序 常规用户程序
内存地址空间 自行管理物理地址空间，可以自行对虚拟内存进行配置后使自己运行在虚拟地址空间 由操作系统管理的虚拟地址空间（不考虑Linux NOMMU模式）
系统调用 调用自己 调用更高特权级的操作系统/固件
栈的初始化 自行完成 操作系统载入用户进程时完成（毕竟还要通过栈传递参数）
BSS段的清空 自行完成 操作系统分配虚拟页面时完成清零

许多同学可能对于上表已经看懵了，不明白这些名词的具体含义，没关系，我们接下来一一解释：

调用栈

我们知道编写的程序可以进行函数调用，也可以在调用后返回。那么我们可以思考，记录函数执行位置，包括局部变量的状态等可以采用一种先进后出的数据结构，也就是栈。这个调用栈的数据结构在不同的指令集架构的ABI（Application Binary Interface）中定义不同。且它的生长方式是向下生长。

但我们需要先分配出一个栈，才能运行这种能进行函数调用的C语言程序。因此对于裸机程序而言，我们需要在汇编程序里先初始化GPR（通用寄存器）的sp指针，才能进入C程序。

程序里的各个存储区

我们可以尝试运行以下实验，编写如下C语言程序：

hello.c
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#include <stdio.h>
int main() {
    printf("Hello World\n");
    return 0;
}

然后，执行以下命令编译为目标文件并查看目标文件的头：

➜  gcc hello.c -c -o hello.o
➜  objdump -h hello.o       

hello.o:     file format elf64-x86-64

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .text         0000001a  0000000000000000  0000000000000000  00000040  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, CODE
  1 .data         00000000  0000000000000000  0000000000000000  0000005a  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  2 .bss          00000000  0000000000000000  0000000000000000  0000005a  2**0
                  ALLOC
  3 .rodata       0000000c  0000000000000000  0000000000000000  0000005a  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 .comment      0000001f  0000000000000000  0000000000000000  00000066  2**0
                  CONTENTS, READONLY
  5 .note.GNU-stack 00000000  0000000000000000  0000000000000000  00000085  2**0
                  CONTENTS, READONLY
  6 .eh_frame     00000038  0000000000000000  0000000000000000  00000088  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, DATA

这里可以看到，我们的程序分为了.text、.data、.bss、.rodata各存储段。

其中：

  • .text是代码段，放置的是我们的程序编译后的代码。

  • .data是数据段，这里放的是初始化过的静态变量（包含全局变量还有static修饰后的局部变量）。

  • .bss是存放未初始化的静态变量的区域。而在ELF文件中，它并不实际存储数据，仅用于告知操作系统载入进程时该段合法地址的存在。

  • .rodata存放的是只读数据，例如字符串常量与全局const变量就存放在这个位置。

这些段的元数据放在我们编译的产物（ELF文件）的头部分。

链接

我们在过去的“程序设计基础”课程应该已经学过多文件的C语言程序编写以及链接过程，同学们应该也在其中学习了Makefile的基本使用。

许多同学也许会好奇，链接器是如何将这些未定义的函数找到对应的位置并进行链接的呢？

这里我们就得涉及到一个符号表的概念，在我们编译产生的ELF文件中，还有一个存放符号表的区域，其中符号指的是函数、变量等的名字，并记录他们对应的地址。这样在链接时就知道能够知道对应的位置，从而进行链接，生成出一个更大的可执行程序。

而对于裸机程序，我们还有一个需求是设定程序各存储段的排布以及地址偏移量。地址偏移量可以告知编译器进行直接跳转时所需要的地址，这个时候我们就需要引入一个叫做ld脚本的东西，它可以帮助我们规划需要放入最终编译结果的各段的地址。

编写一个裸机程序

至此，我们开始真正编写一个裸机程序，大家在搭建好的环境中新建文件夹，一步步开始吧！

初始化的汇编代码

start.S
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.extern main
.text
.globl _start
_start:
    # Config direct window and set PG
    li.w    $t0, 0xa0000011
    csrwr   $t0, 0x180
    /* CSR_DMWIN0(0x180): 0xa0000000-0xbfffffff->0x00000000-0x1fffffff Cached */
    li.w    $t0, 0x80000001
    /* CSR_DMWIN1(0x181): 0x80000000-0x9fffffff->0x00000000-0x1fffffff Uncached */
    # Enable PG
    li.w    $t0, 0xb0
    csrwr   $t0, 0x0
    /* CSR_CRMD(0x0): PLV=0, IE=0, PG */
    la  $sp, bootstacktop
    la  $t0, main
    jr  $t0
poweroff:
    b poweroff
_stack:
.section .data
    .global bootstack
bootstack:
    .space 1024
    .global bootstacktop
bootstacktop:
    .space 64

我们将这个文件保存为start.S。

这里程序主要完成了对CSR的DMWIN的设置，并修改CSR_CRMD开启虚拟地址翻译模式，然后从栈地址直接进入到main函数。而main函数来源于外部的extern，我们接着写main对应的代码。

编写简单串口输出C程序

串口是一种通信方式。在LoongArch32的QEMU中，有一个ns16550a规格的串口，位于物理地址0x1fe001e0。

该串口通过MMIO的方式访问，我们需要通过编写ns16550a对应的驱动代码完成串口的打印，这一部分感兴趣的同学可以自行上网搜索，助教已经给出一个只有输出功能的驱动范例，如下：

main.c
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#define UART_BASE 0x9fe001e0
#define UART_RX     0   /* In:  Receive buffer */
#define UART_TX     0   /* Out: Transmit buffer */
#define UART_LSR    5   /* In:  Line Status Register */
#define UART_LSR_TEMT       0x40 /* Transmitter empty */
#define UART_LSR_THRE       0x20 /* Transmit-hold-register empty */
#define UART_LSR_DR         0x01 /* Receiver data ready */

void uart_put_c(char c) {
    while (!(*((volatile char*)UART_BASE + UART_LSR) & (UART_LSR_THRE)));
    *((volatile char*)UART_BASE + UART_TX) = c;
}

void print_s(const char *c) {
    while (*c) {
        uart_put_c(*c);
        c ++;
    }
}

void main() {
    print_s("\nHere is my first bare-metal machine program on LoongArch32!\n\n");
}

我们将这个文件保存为main.c。

细心的同学可能会注意到，我们前文提到串口地址是在0x1fe001e0，为什么这里代码写成了0x9fe001e0呢？这是因为我们前面设置了DMW，完成了0x80000000-0x9fffffff的映射，并设置的Uncached属性。

Warning

如果使用Cached地址访问串口，例如对应的DMWIN0下的0xbfe001e0，尽管在QEMU中不会有任何错误，但在实际有Cache的CPU硬件上会导致串口访问失去原子性，导致无法得到串口输出。

编写链接脚本

这里我们的链接脚本需要做的事情就是指定一个起始地址，并删去程序中不需要的存储区段，因此最终产生链接脚本如下：

lab0.ld
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SECTIONS
{
    . = 0xa0000000;
    .text : { *(.text) }
    .rodata : { *(.rodata) }
    .bss : { *(.bss) }
}

然后保存为lab0.ld。

其中，我们把开始地址放在0xa0000000是基于我们配置的DMWIN0考虑的，对于代码和数据这类访问，我们当然希望放在带有Cache属性的地址段，这样运行起来速度快一些。

编写Makefile

Makefile
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TOOL    :=  loongarch32r-linux-gnusf-
CC      :=  $(TOOL)gcc
OBJCOPY :=  $(TOOL)objcopy
OBJDUMP :=  $(TOOL)objdump
QEMU    :=  qemu-system-loongarch32

.PHONY: clean qemu

start.elf: start.S main.c lab0.ld
    $(CC) -nostdlib -T lab0.ld start.S main.c -O3 -o $@

qemu: start.elf
    $(QEMU) -M ls3a5k32 -m 32M -kernel start.elf -nographic

clean:
    rm start.elf

Warning

Makefile中命令所在的行必须以制表符（"\t"）开头，如果直接复制为空格需要手动替换为制表符，否则Make时会出现"missing separator."错误。

然后保存为Makefile。

关于Makefile的内容大家可以上网寻找相关资料，想必聪明的同学们也从这简单的Makefile中看出了一些规律。这里编译时添加参数-nostdlib是为了防止stdlib编译到我们的程序中，毕竟这是一个裸机程序。

编译运行

在放置了start.S、main.c、lab0.ld、Makefile的文件夹下执行make qemu：

➜  make qemu 
qemu-system-loongarch32 -M ls3a5k32 -m 32M -kernel start.elf -nographic
loongson32_init: num_nodes 1
loongson32_init: node 0 mem 0x2000000

Here is my first bare-metal machine program on LoongArch32!

看到"Here is my first bare-metal machine program on LoongArch32!"表示我们的裸机程序运行成功！

退出QEMU

在nographic模式下，可以按 ++ctrl+a++ 一次，然后按 ++x++ 退出。

Note

小思考：

  1. 为什么在start.S的最后写了个死循环，如果不写会有什么坏处？

  2. 在QEMU模拟器中运行裸机程序有什么办法避免CPU满载？（可以阅读实验一的代码找到答案。）