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【学習メモ#2nd】12ステップで作る組込みOS自作入門
- 1. 12ステップで作る組込みOS自作入門 2ndステップ @sandai
- 4. 1.メモリマップドI/O
- 5. 組込みシステムの目的 ● 周辺ハードウェアの制御、操作 ● 周辺ハードウェアの呼び名は以下のようなもの がある。どれも同じような意味 – ペリフェラル – 周辺インタフェース – 周辺I/O
- 6. シリアル通信 ● データ転送には送信元と受信先があり、様々な 決まりごとを守らなくてはならない – この決まりごとをインタフェースと言う ● またデータの転送にはいくつか手順がある – データ転送の手順をプロトコルと呼ぶ
- 7. シリアル通信の制御 ● シリアル通信の制御をCPUで行うとなれば非常 に面倒なことになる ● そこで、通信を制御するICチップを実装する – こういったICチップをコントローラと呼び、シリア ル通信では「シリアル・コントローラ」と言う ● 信号の制御はこのICチップにまかせれば、CPU からはコントローラに対してデータの送信要求 を出したり、コントローラからデータを受信す るだけで済むようになる
- 8. コントローラの操作方法 ● コントローラの制御はレジスタ経由で行う – コントローラの持つ特定のレジスタに1バイト書き 込むと、コントローラ側でそのデータをシリアル送 信する – シリアル通信のパラメータは特定のレジスタの特定 のビットを立てたり落としたりすることで設定する ● コントローラもアドレス線を持っており、特定 のアドレスに対して特定のレジスタが配置され ている ● このように、レジスタを読み書きして操作する
- 9. DRAMとCPU ● CPUのビット数は内部で扱うデータのビット幅 を指す – 32ビットのCPUならレジスタのサイズは32ビット ● データ・バス – 数値データを転送するためにCPUが持っている入出 力ピン ● アドレス・バス – アドレス指定するためにCPUが持っている出力ピン
- 10. メモリとCPU ● DRAMのデータを読み書きする場合、どの位置の データかアドレス・バスによってDRAMに通知す る ● アドレス・バスが32ビットなら、ポインタも32 ビットとなる – char *c;はchar型へのポインタだけど、ポインタの サイズは32ビットだよね ● 1バイトで表現できる数値は0x00~0xff ● 4バイト(32ビット)だと0x00000000~0xffffffff ● つまり、32ビットなら4GBのメモリを扱うこと ができる
- 11. アドレス・バスとCPU ● 32ビットのアドレス・バスをDRAMと直結すれば 4GBの領域にアクセスできる ● DRAMは数メガバイト単位で分割されている ● １メガバイトで分割されていれば、20ビット (20本)で接続して、上位12ビットは無視する ● そこで、右のよ うに接続すると 衝突してしまう ので、チップ・ セレクトを使う 57頁 図2.3 1メガバイトのDRAMチップを4個接続する より
- 12. チップ・セレクト(CS) ● 衝突の問題は上位12ビットを無視していること – 無視をせず値に応じてDRAMのアクセスを制御 ● DRAMが持っているCSに上位12ビットを接続し、 ONとOFFで制御する ● 直接接続するわけではなく比較器を通して接続 し、ONかOFFかをここで判断する ● 比較器は特定のビット数のデータを比較して、 一致していれば1の信号(ON)を出すような回路
- 13. マッピング ● 上位12ビットの値でどのDRAMにアクセスするか 決定される ● たとえば、下のスクリーンショットの例でいえ ば、DRAM2チップは0x00100000~0x001fffffのア ドレスにマッピングされていると表現する ● こうすることで分割されたアドレス空間を連続 した形で利用できる アドレス指定(太字は上位12ビット) 動作する(CSが有効になる)DRAM 0x00000000 ~ 0x000fffff DRAM1 0x00100000 ~ 0x001fffff DRAM2 0x00200000 ~ 0x002fffff DRAM3 0x00300000 ~ 0x003fffff DRAM4 59頁 表2.1 図2.4の接続によるアドレス指定とDRAMの対応 より
- 14. シリアル・コントローラ のマッピング ● シリアル・コントローラもアドレス線を持って おり、アドレスによってどのレジスタを制御で きるか決まっている ● アドレス・バスの下位4ビットをそのまま接続 して、上位28ビットは比較器を通してCSに接続 される ● こうすると、CPUからは0x1000000~0x1000000f というアドレスを読み書きすることでレジスタ を制御できる ● これを、シリアル・コントローラのレジスタは 0x1000000~0x1000000fにマッピングされている と表現する
- 15. メモリマップドI/O ● コントローラのレジスタをアドレス空間上に マッピングすることで、CPUからの制御が可能 となり、デバイスを操作できる ● このように、様々なコントローラのレジスタも アドレス上に存在するI/OをメモリマップドI/O と呼ぶ
- 16. C言語からのデバイス操作 ● このような形でC言語からレジスタ1を操作でき る char c; volatile char *reg1 = (char *)0x10000000; C = *reg1; /* レジスタ1からの読み出し */ *reg1 = 0x01 /* レジスタ1への書き込み */
- 17. volatile ● volatileキーワードを使えば最適化が抑制され る ● コンパイラは下記のようなコードを最適化する が、volatileをつければ防げる serreg->reg1 = 0x01 serreg->reg1 = 0x02 serreg->reg2 = 0x04
- 18. 2.内蔵シリアル・コントローラ
- 19. マイクロ・コントローラ ● 組込み向けCPUでははじめから周辺コントロー ラを内蔵しているのが普通 ● こういったCPUはマイクロ・コントローラと呼 ばれる ● H8/3069FはSCIというシリアル・コントローラ を内蔵している – 3つ内蔵しており、SCI0、SCI1、SCI2がある
- 20. SCI ● H8/3069Fのシリアル・コネクタにはSCI1が接続 されている – ここでシリアル経由の入出力が可能となる。コン ソールを通して文字の入出力ができるってこと ● SCIはCPUに内蔵してあるのでレジスタは最初か ら固定でマッピングされている 65頁 表2.3 H8/3069FでのSCI1のレジスタ・マッピング より
- 21. SCIの定義 このコードは、3つのSCIをregs[]という構造体 ● の配列で管理していることになる static struct { volatile struct h8_3069f_sci *sci; } regs[SERIAL_SCI_NUM] = { { H8_3069F_SCI0 }, { H8_3069F_SCI1 }, { H8_3069F_SCI2 }, };
- 22. SCI1での送信の設定 ● パラメータ設定でSMRとSCRの2つのレジスタの 設定が必要 ● 転送速度の指定はBRRで行う ● 文字の送信のためにTDR、SSRを使う
- 23. SMR ● SMRはシアルモードレジスタと言う ● これは入出力のパラメータ設定を行う ● いくつか設定内容はあるが、現在ではデータ長 は8ビット、ストップビット長は1ビット、パリ ティ無しというのが主流 ● sci->scr = 0といったように、ゼロに設定して おけば問題ない
- 24. SCR ● SCRはシリアルコントロールレジスタ ● シリアル入出力の制御を行う ● serial_init()では最初にsci->scr = 0にして シリアル送信と割り込みを無効化している ● 次にSMRとBBRを設定したあと、SCRの送受信を 有効化している。こういった方法が一般的 sci->scr = 0; /* 最初 */ sci->smr = 0; sci->brr = 64; sci->scr = H8_3069F_SCI_SCR_RE | H8_3069F_SCI_SCR_TE; /* 最 後 */
- 25. BRR ● BRRはビットレートレジスタと言う – シリアル通信の速度設定にあたる ● 9600bpsが一般的 – 1秒間に9600ビット転送できる速度 ● serial_init()ではsci->brr = 64にしている – 20MHz、分週比1、9600bpsとして、ドキュメントの 表(表13.3)から64にしている
- 26. TDRとSSR ● シリアルへの1文字出力はTDR(トランスミート データレジスタ)とSSR(シリアルステータスレ ジスタ)を使う ● 手順は次の通り 1.SSRの送信完了ビットが落ちていないか確認 2.TDRに送信したい文字を書き込む 3.SSRの送信完了ビットを落とす 4.送信が完了すると、コントローラがSSRの送信完了 ビットを立てる
- 27. 端末変換 ● C言語では改行コードは'n'だが、シリアル通 信では'r'となる ● 文字をシリアル送信する場合は'n'を'r'に変 換しなければならない ● このようなコード変換を端末変換という
- 28. 3.ライブラリ関数の追加と実行
- 29. ヘッダ・ファイル ● ヘッダ・ファイルに関数のプロトタイプ宣言を すると、どのファイルでもincludeすれば扱え るようになる – プリプロセスによってできるんだったけな
- 30. 16ビットCPUのint型 ● H8は16ビットCPUなのでint型は16ビットになる ● longで32ビット – あれ、でもポインタのサイズが32ビットなのはなん でだろ。調べたけどわかんねえや ● gccだと-mint32オプションを使えばint型を32 ビットにできるが、いろいろ面倒なのでやって ない
- 31. プログラムの実行 ● 修正したファイルは以下の通り – lib.h lib.c – main.c ● ライブラリ関数を追加した – 本書では標準ライブラリ関数も自作するらしい ● main.cで先ほど追加した関数を試したと ろ、putxval(0xffff, 0)の出力が????になった
- 32. putxval() ● 数値の16進数を表示するための関数 ● 下記のように使ったところ、0xffffが????で出 力された ● そこで、一度電源を入れなおしたらffffと表示 されるようになった – 何が原因だったかわからない putxval(0x10, 0); puts("n"); putxval(0xffff, 0); puts("n");
- 33. 4.スタート・アップ
- 34. 組込みプログラムの最初 ● プログラムの実行はstartup.sの_startから始 まっている – スタックポインタの設定を行なってからmain()に ジャンプしている – startup.cはcrt.sという名前を使う場合もある ● この動作開始処理を一般にスタート・アップと 言う
- 35. 割込み ● どうやって_startから処理を開始するか理解す るには、割込みベクタについて知る必要がある ● CPUには割込みという機能がある – CPUがある処理をしているときに、割込みの信号を 受けとって別の処理に入るというもの – 割込み時の処理は割り込みハンドラという ● 処理を終えると中断していた処理に戻る ● 具体的にはCPUの割込み線というピンに電圧が かかったかどうかで処理が行われている
- 36. 割込みハンドラの実行 ● どのハンドラを実行するのか設定する必要があ り、大きく分けて2通りある 1.特定のアドレスから実行する 2.どのアドレスから実行するか特定のアドレスに設 定しておく
- 37. 1.特定のアドレスから実行 ● 割込みハンドラを配置するアドレスをCPU側で 固定 ● その割込みが発生したら強制的にそのアドレス に飛ばすというもの
- 38. 2.どのアドレスから実行するか 特定のアドレスに設定して実行 ● 割込みハンドラを配置するアドレスを特定のア ドレスに記述しておく ● 「ハンドラのアドレスを記述しておく特定のア ドレス」を割り込みベクタと言う – この方法をベクタ割込み方式と呼ぶ
- 39. H8の割り込みベクタ方式 ● H8は割り込みベクタ方式で設定する ● 割り込みベクタは種類に応じて、0x000000~か ら0x0000ffのメモリ上に配置されている ● 割込みはいくつか種類があるが、まずリセッ ト・ベクタについて知る必要がある
- 40. H8のリセット・ベクタ ● 電源のONやリセットも割込みの一種 ● 電源の起動やリセット直後に参照するメモリ位 置がリセット・ベクタ – ここから動作を開始する ● で、割込みベクタの先頭がリセット・ベクタに なってる
- 41. vectors[] ● vector.cのvectors[]が割込みベクタの設定 – vectors[0]にstart()関数を配置しており、これが startup.sの_startにあたる ● vectors[]の内容は0x000000~0x0000ffのアドレ スに配置される – ld.scrによって先頭に配置するようになっている ● つまり、リセット・ベクタにstart()関数が割 り当てられている
- 42. ld.scr ● ld.scrはリンカ・スクリプト – オブジェクトファイルをリンクして実行ファイルに するとき、関数や変数をアドレス上にどのように配 置するか指定する役割を持つ ● vectors.oはld.scrの下記のコード部分で先頭 に配置されることが分かる SECTIONS { . = 0x0; .vectors : { vector.o(.data) }
- 43. スタート・アップのまとめ ● ld.scrによってvector.oを先頭に配置するよう になっている ● vectors[]は0x000000~0x0000ffのアドレス上に 配置され、割込みベクタとして登録される ● よって、電源ON時に割り込みベクタとして vector[0]のアドレス位置にあるstart()から処 理を開始する
- 44. 5.まとめ
- 45. まとめ ● CPUからデバイスを操作できるように、アドレ ス空間上からコントローラのレジスタにアクセ スできるようになっている ● 組込み向けCPUははじめからシリアル・コンロ ローラを内蔵しているのが一般的で、これをマ イクロ・コントローラという – H8/3069FはSCIというコントローラを内蔵してお り、レジスタは固定でマッピングされている ● 電源をONにしたとき、id.scrにリセット・ベク タの位置に設定したstart()関数から開始する ようになっている
- 46. メモ ● これまでの内容だと変数の書き換えができない んだと ● 厳密には自動変数は大丈夫だけど静的変数は書 き換えができないって状態らしい ● 自動変数と静的変数の違いがわからんな ● これは次の3rdステップで明らかになるらしい ので、ちゃんと読もうかいな