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自作組込みOS "CHAOS" について

Last updated at Posted at 2019-12-21

本記事は Sechack365 2019 Advent Calendar 2019 - Qiita の 21 日目の投稿です.

1. CHAOSとは?

拡張性に優れて自由に改造できる(ハッカブルな)組込みOSです.フルスクラッチでARM64bitで動作するOSというのが特徴で,現状はRaspberry Pi 3 model bで動作します.またQEMUを使ったエミュレーションも可能です.

CHAOSを使って組込みOSを理解しましょう!

サポートしている機能
- UART (PCと通信)
- GPIO (LEDやモータ,センサ等のInput/Output)
- RNG (乱数生成)

2. 実際に手を動かす

開発環境構築

  1. 下のリンクからCHAOSをクローンまたはダウンロードしてください.
    CHAOSのレポジトリ
  2. READMEを参照して開発環境を構築してください.
  3. makeしてビルドに成功すればOKです.

動かしてみよう

  1. QEMUで動かしてみましょう.
$ make run

するとQEMUが立ち上がって以下のようなコマンド入力画面が表示されます.

tsuru@rz4:~/CHAOS$ make run
qemu-system-aarch64 -M raspi3 -kernel kernel8.img -serial null -serial stdio

CHAOS started
> 

色々入力してみましょう.
対応コマンドはmain.cに書いてあります.

> echo hello
hello
> on
GPIO ON!
> off
GPIO OFF!
> reboot
rebooting...

入力した文字列はchar型のbuf配列に格納されてstrcmpで対応するコマンドを比較して処理を決めています.
ctrl+c でQEMUを終了できます.

  1. ラズパイに書き込もう
    FAT32でフォーマットされた micro SD をPCに差し込み,ディレクトリ内のファイル群をコピーします.
kernel8.img
bootcode.bin
config.txt
start.elf

SDカードスロットに差し込み,ラズパイのGPIO14ピン,15ピン(RX,TX)とGNDをUSBシリアル変換器を使い,USB経由でPCを接続します.その後以下のコマンドでminicomを立ち上げます.

make com

minicomが立ち上がった後にラズパイの電源を入れるとQEMUでエミュレーションした時と同じようにコマンド入力画面が表示されます.

ここでGPIO16ピンとGNDにLEDを接続して以下のコマンドを入力してみましょう.

on

するとどうでしょうLEDが点灯します!めっちゃ簡単ですね!
消灯する際は

off

で出来ます.
あとは,乱数を作ったり,再起動したり,シャットダウンできたりします.

CHAOS started
> rand
4EBE8815
> rand
523D3704
> reboot
rebooting...
CHAOS started
> shutdown
shutdown

という感じで自作OS CHAOS の機能を紹介しました.
次はソースコードについて説明します.

  1. CHAOSのコード読解
lib.c
#include "lib.h"
#include "uart.h"
#include "gpio.h"

void init(void) {
    uart_init();
}

int putc(unsigned char c) {
    if (c == '\n')
        uart_send('\r');
    if (c != "")
        uart_send(c);
    return 0;
}

unsigned char getc(void) {
    unsigned char c = uart_getc();
    c = (c == '\r') ? '\n' : c;
    putc(c);
    return c;
}

int puts(unsigned char *str) {
    while (*str)
        putc(*(str++));
    return 0;
}

int gets(unsigned char *buf) {
    int i = 0;
    unsigned char c;
    do {
        c = getc();
        if (c == '\n')
            c = '\0';
        buf[i++] = c;
    } while (c);
    return i - 1;
}

int strcmp(const char *s1, const char *s2) {
    while (*s1 || *s2) {
        if (*s1 != *s2)
            return (*s1 > *s2) ? 1 : -1;
        s1++;
        s2++;
    }
    return 0;
}

int strncmp(const char *s1, const char *s2, int len) {
    while ((*s1 || *s2) && (len > 0)) {
        if (*s1 != *s2)
            return (*s1 > *s2) ? 1 : -1;
        s1++;
        s2++;
        len--;
    }
    return 0;
}

void rand_init(void) {
    *RNG_STATUS = 0x40000;
    *RNG_INT_MASK |= 1;
    *RNG_CTRL |= 1;
    while(!((*RNG_STATUS) >> 24)) asm volatile("nop");
}

unsigned int rand(unsigned int min, unsigned int max) {
    return *RNG_DATA % (max - min) + min;
}

void on(unsigned int n) {
    register unsigned int r;
// ON
    *GPFSEL1 = 0x01 << 18;
    *GPSET0 = 0x01 << 16;

// UARTできるように切り替える
    r=*GPFSEL1;
    r&=~((7<<12)|(7<<15)); // gpio14, gpio15
    r|=(2<<12)|(2<<15);    // alt5
    *GPFSEL1 = r;
}

void off(unsigned int n) {
    register unsigned int r;
// OFF
    *GPFSEL1 = 0x01 << 18;
    *GPCLR0 = 0x01 << 16;

// UARTできるように切り替える
    r=*GPFSEL1;
    r&=~((7<<12)|(7<<15)); // gpio14, gpio15
    r|=(2<<12)|(2<<15);    // alt5
    *GPFSEL1 = r;
}

main.cで呼び出している関数がlib.cで定義してあります.注目するべきは*GPFSEL1と*GPSET0と*GPCLR0です.これらはgpio.hで定義されたレジスタです.

gpio.h
// RaspberryPi3 Memory Mapped I/O Base Address
#define MMIO_BASE       0x3F000000

// GPIO
#define GPFSEL0         ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200000))
#define GPFSEL1         ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200004))
#define GPFSEL2         ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200008))
#define GPFSEL3         ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x0020000C))
#define GPFSEL4         ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200010))
#define GPFSEL5         ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200014))
#define GPSET0          ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x0020001C))
#define GPSET1          ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200020))
#define GPCLR0          ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200028))
#define GPLEV0          ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200034))
#define GPLEV1          ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200038))
#define GPEDS0          ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200040))
#define GPEDS1          ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200044))
#define GPHEN0          ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200064))
#define GPHEN1          ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200068))
#define GPPUD           ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200094))
#define GPPUDCLK0       ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00200098))
#define GPPUDCLK1       ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x0020009C))

// RNG
#define RNG_CTRL        ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00104000))
#define RNG_STATUS      ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00104004))
#define RNG_DATA        ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00104008))
#define RNG_INT_MASK    ((volatile unsigned int*)(MMIO_BASE+0x00104010))

レジスタのアドレスをgpio.hで定義されています.
詳細はラズパイ3に搭載されているBMC2837のデータシートを確認してください.

※実はデータシートのベースアドレスは0x7F000000なんですが現状のラズパイ3では0x3F000000であることに注意してください.

GPFSEL...GPIOの入出力設定するレジスタ
GPSET ...対応するGPIOピンをHIGHにする
GPCLR ...対応するGPIOピンをLOWにする

ここでlib.cのon()を見てみましょう.

lib.c
void on(unsigned int n) {
    register unsigned int r;
// ON
    *GPFSEL1 = 0x01 << 18;
    *GPSET0 = 0x01 << 16;

// UARTできるように切り替える
    r=*GPFSEL1;
    r&=~((7<<12)|(7<<15)); // gpio14, gpio15
    r|=(2<<12)|(2<<15);    // alt5
    *GPFSEL1 = r;
}
  1. *GPFSEL1 = 0x01 << 18; はデータシートP92を参照すると"GPIO16ピンを出力に設定"
  2. *GPSET0 = 0x01 << 16; はOUTしたいピン番号分(16)左シフトすることで"GPIO16をOUT"
    この2つのレジスタの演算だけでラズパイのGPIO操作ができます.

ただ,UARTする際にGPFSEL1を操作するため,UARTできるように書き換えるための演算を次の行から行っています.

3. 終わりに

駆け足になりましたがザックリとCHAOSの概要とGPIOの設定,操作を見ていきました.
レジスタのアドレスを変えたりリンカ・スクリプトを改造することで他のSoCでも動くと思います.ガンガン移植していって楽しむのも通かと思います.
CHAOSはKL-01というライセンスなので自由に改変,再配布可能です.またこんな機能追加したよ!というのがあればどんどんプルリク送ってほしいです!まだまだCHAOSには機能が充分に揃ってないですが,そのぶん改造の幅やいろんな可能性を秘めていると言えます.一緒にCHAOSを盛り上げていきましょう!!

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