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Raspberry Pi 3の64bitモード、ベアメタルに関する情報を書き溜めておく

Last updated at 2017-05-06Posted at 2017-04-16

Raspberry Pi 3で64bitモード（AArch64）のベアメタル動作を目指す

参考となる情報をまとめておく

（準備）Raspberry PiのSDカードにbootcode.bin、start.elf、config.txt、プログラム本体を置いておく

Raspberry Piに電源を入れるとまずGPUが起動する
ARMのプロセッサはoff、SDRAMも無効な状態になっている
GPUはブートローダーを実行開始する
このブートローダーはROMにマスクされている
SDカードから2段目のブートローダー（bootcode.bin）をキャッシュに読み込む
GPUは2段目ブートローダー（bootcode.bin）を実行をする
SDRAMを有効にする
SDカードからファームウェア(start.elf)を読み込む
GPUはstart.elfを実行する
SDカードからconfig.txt、プログラム本体を読み込む
config.txtの内容に沿ってCPUのブート設定が行われる
つまり、ユーザはconfig.txtの内容を変更することでCPU起動パラメータをいじることができる
プログラム本体はデフォルトでSDRAMのアドレス0x8000に配置される
config.txtの設定によっては0x0番地に配置することもできる
start.elfはARMプロセッサをリセットする
ARMプロセッサがSDRAMに置かれたプログラム本体を実行開始する

後述のconfig.txtで64bitモード起動を指定すると、
ARMプロセッサは以下のような状態でブートを開始する

Raspberry Piをベアメタル動作するには、FAT32フォーマットしたSDカードに以下を置く。

config.txtは自分で記述する。

my_program.binはプログラム本体で、自分で作成する。
バイナリ形式である。elf形式ではない。

通常は以下のような内容のconfig.txtを用意する

config.txt

kernel=my_program.bin
arm_control=0x200
kernel_old=1
disable_commandline_tags=1

kernel=my_program.bin
動作させたいプログラム本体の名前を指定する。
指定しない場合、デフォルトでkernel.imgだったりkernel7.imgだったりをロードする。
arm_control=0x200
これでARMコアがAArch64で起動する。
arm_control=0x0とするとAArch32で起動する。指定しなくてもAArch32になる。
kernel_old=1
0x0番地からプログラムを実行する。
これを指定しないと0x8000番地からプログラムを実行する。
u-bootは0x8000番地にプログラムを展開する前提で作られているらしく、
u-bootを使わないならkernel_old=1を指定するのが良い？
disable_commandline_tags=1
これを指定しないと、boot loaderがATAGSというタグ情報を0x100番地に上書きしてしまうらしい？

バイナリ形式のプログラム本体を作成する。
コンパイラは、以下のLinaroのAArch64 Bare-Metal用GCCが使える。
https://www.linaro.org/downloads/

プログラム本体のサンプルプログラムは後日投稿する。

上記で用意した以下4つのファイルをFAT32フォーマットしたSDカードに以下を置く。

Raspberry Piに電源を接続して起動する