QEMU裸机开发之打印字符
1.文件结构总览
先整体看下本章节裸机程序的工程文件组成，如下图所示。
- address.h：主要定义了一些外设寄存器的基址还有内存基址等。
- entry.S：入口文件，主要设置了栈。
- kernel.ld：编译用的链接脚本。
- Makefile：makefile文件，控制源码的编译过程。
- start.c：是C语言实现的入口，在entry.S中会调转到C函数中。
- uart.c和uart.h：串口驱动源码。
2.Makefile
Makefile控制着源码的编译，如下图所示。
# compile objects set
KERNEL_IMAGE_NAME=kernelimage
OBJS = \
entry.o \
start.o \
uart.o
# cross compiler and flag set
CROSS_COMPILER = riscv64-unknown-elf-
CC = $(CROSS_COMPILER)gcc
AS = $(CROSS_COMPILER)gas
LD = $(CROSS_COMPILER)ld
OBJCOPY = $(CROSS_COMPILER)objcopy
OBJDUMP = $(CROSS_COMPILER)objdump
CFLAGS = -Wall -Werror -O -fno-omit-frame-pointer -ggdb
CFLAGS += -mcmodel=medany
CFLAGS += -ffreestanding -fno-common -nostdlib -mno-relax
CFLAGS += -I.
CFLAGS += $(shell $(CC) -fno-stack-protector -E -x c /dev/null >/dev/null 2>&1 && echo -fno-stack-protector)
# Disable PIE when possible (for Ubuntu 16.10 toolchain)
ifneq ($(shell $(CC) -dumpspecs 2>/dev/null | grep -e '[^f]no-pie'),)
CFLAGS += -fno-pie -no-pie
endif
ifneq ($(shell $(CC) -dumpspecs 2>/dev/null | grep -e '[^f]nopie'),)
CFLAGS += -fno-pie -nopie
endif
LDFLAGS = -z max-page-size=4096
# compile kernel
$(KERNEL_IMAGE_NAME): $(OBJS) kernel.ld
$(LD) $(LDFLAGS) -T kernel.ld -o $(KERNEL_IMAGE_NAME) $(OBJS)
$(OBJDUMP) -S $(KERNEL_IMAGE_NAME) > kernel.asm
$(OBJDUMP) -t $(KERNEL_IMAGE_NAME) | sed '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$$/d' > kernel.sym
clean:
rm -f *.tex *.dvi *.idx *.aux *.log *.ind *.ilg \
$(OBJS) *.asm *.sym \
$(KERNEL_IMAGE_NAME)
# qemu set
QEMU = qemu-system-riscv64
ifndef CPUS
CPUS := 1
endif
QEMUOPTS = -machine virt -bios none -kernel $(KERNEL_IMAGE_NAME) -m 128M -smp $(CPUS) -nographic
qemu: $(KERNEL_IMAGE_NAME)
$(QEMU) $(QEMUOPTS)
这个makefile修改自xv6工程的makefile，需要注意的是qemu的启动命令，我们使用了“-bios none”选项，表示不使用OpenSBI这类的软件，而是直接加载我们编译的程序运行，所以我们写的程序开始就是运行在m模式下的。这里默认使用了128MB内存，并且使用单核方式。
3.链接脚本
链接脚本控制着整个程序的链接地址，如下图所示。
OUTPUT_ARCH( "riscv" )
ENTRY( _entry )
SECTIONS
{
/*
* ensure that entry.S / _entry is at 0x80000000,
* where qemu's -kernel jumps.
*/
. = 0x80000000;
.text : {
*(.text .text.*)
. = ALIGN(0x1000);
PROVIDE(etext = .);
}
.rodata : {
. = ALIGN(16);
*(.srodata .srodata.*) /* do not need to distinguish this from .rodata */
. = ALIGN(16);
*(.rodata .rodata.*)
}
.data : {
. = ALIGN(16);
*(.sdata .sdata.*) /* do not need to distinguish this from .data */
. = ALIGN(16);
*(.data .data.*)
}
.bss : {
. = ALIGN(16);
*(.sbss .sbss.*) /* do not need to distinguish this from .bss */
. = ALIGN(16);
*(.bss .bss.*)
}
.stack (NOLOAD) : {
. = ALIGN(16);
PROVIDE (__stack_start = .);
. += 128 * 1024;
. = ALIGN(16);
PROVIDE (__stack_end = .);
}
PROVIDE(end = .);
}
整个程序链接地址是从0x80000000开始的，然后划分了5个段：代码段、只读数据段、数据段、清零数据段、栈段。栈段默认分配了128KB空间用于m模式和s模式下正常和异常时使用，这个在后面涉及到时会具体讲解。
4.入口处理
entry.S主要是设置了栈地址，因为我们使用的是模拟器，所以不需要初始化内存这类外设，只需要将栈设置好就可以跳转到c语言函数运行了，如下所示。
.section .text
.global _entry
_entry:
# sp = __stack_start + ((hartid + 1) * 4096)
la sp, __stack_start
li a0, 4096
csrr a1, mhartid
addi a1, a1, 1
mul a0, a0, a1
add sp, sp, a0
call start
loop:
j loop
这段代码参考自xv6，原来是可以设置多核下的栈的，因为现在我们只使用了单核，所以栈地址被设置为__stack_start+4096这个值，__stack_start就是在链接脚本里定义的，这个栈是m模式正常运行时所使用的栈，大小为4KB。栈设置完成之后，直接就调用c函数实现的start进行处理。
5.C语言主函数处理
strat.c中目前只有一个c语言实现的start函数，如下所示。
#include "uart.h"
void start(void)
{
uart_puts("in start.\r\n");
}
目前的实现很简单，就是调用串口驱动发送字符串函数“uart_puts”打印一串信息。
6.串口驱动
我们qemu选用的平台是virt，使用的串口为16550兼容串口，由于是模拟器，我们可以直接实现发送函数就可以实现字符输出打印功能，而不需要去初始化，如下所示。
#include "address.h"
// the UART control registers.
// some have different meanings for
// read vs write.
// see http://byterunner.com/16550.html
#define RHR 0 // receive holding register (for input bytes)
#define THR 0 // transmit holding register (for output bytes)
#define IER 1 // interrupt enable register
#define IER_RX_ENABLE (1<<0)
#define IER_TX_ENABLE (1<<1)
#define FCR 2 // FIFO control register
#define FCR_FIFO_ENABLE (1<<0)
#define FCR_FIFO_CLEAR (3<<1) // clear the content of the two FIFOs
#define ISR 2 // interrupt status register
#define LCR 3 // line control register
#define LCR_EIGHT_BITS (3<<0)
#define LCR_BAUD_LATCH (1<<7) // special mode to set baud rate
#define LSR 5 // line status register
#define LSR_RX_READY (1<<0) // input is waiting to be read from RHR
#define LSR_TX_IDLE (1<<5) // THR can accept another character to send
// the UART control registers are memory-mapped
// at address UART0. this macro returns the
// address of one of the registers.
#define Reg(reg) ((volatile unsigned char *)(UART0_REG_BASE + reg))
#define ReadReg(reg) (*(Reg(reg)))
#define WriteReg(reg, v) (*(Reg(reg)) = (v))
// add a character to the output buffer and tell the
// UART to start sending if it isn't already.
void uart_putc(char c)
{
// wait for Transmit Holding Empty to be set in LSR.
while((ReadReg(LSR) & LSR_TX_IDLE) == 0);
WriteReg(THR, c);
}
void uart_puts(char *msg)
{
char c;
if (!msg) {
return;
}
while ((c = *msg) != '\0') {
uart_putc(c);
msg++;
}
}
逻辑也很简单，就是轮询等待发送寄存器为空，然后再写入数据发送，串口模块寄存器基址是定义在address.h中的，如下所示。
#ifndef QEMU_RISCV64_ADDRESS_H_ #define QEMU_RISCV64_ADDRESS_H_ // the kernel expects there to be RAM // for use by the kernel and user pages // from physical address 0x80000000 to PHYSTOP. #define KERNBASE 0x80000000L #define PHYSTOP (KERNBASE + 128*1024*1024) #define UART0_REG_BASE (0x10000000L) #define CLINT_REG_BASE (0x02000000L) #endif /* QEMU_RISCV64_ADDRESS_H_ */
其中CLINT的基址在后面设置核间中断和timer会用到，后面会讲解。
7.测试
在命令行输入“make qemu”即可编译，编译完成后会自动启动qemu运行程序，如果一切顺利会在最后看到“in start.”这个信息输出，如下所示。
gewenbin@gewenbin-virtual-machine:~/Desktop/qemu_test/lesson1$ make qemu riscv64-unknown-elf-gcc -c -o entry.o entry.S riscv64-unknown-elf-gcc -Wall -Werror -O -fno-omit-frame-pointer -ggdb -mcmodel=medany -ffreestanding -fno-common -nostdlib -mno-relax -I. -fno-stack-protector -fno-pie -no-pie -c -o start.o start.c riscv64-unknown-elf-gcc -Wall -Werror -O -fno-omit-frame-pointer -ggdb -mcmodel=medany -ffreestanding -fno-common -nostdlib -mno-relax -I. -fno-stack-protector -fno-pie -no-pie -c -o uart.o uart.c riscv64-unknown-elf-ld -z max-page-size=4096 -T kernel.ld -o kernelimage entry.o start.o uart.o riscv64-unknown-elf-objdump -S kernelimage > kernel.asm riscv64-unknown-elf-objdump -t kernelimage | sed '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$/d' > kernel.sym qemu-system-riscv64 -machine virt -bios none -kernel kernelimage -m 128M -smp 1 -nographic in start. QEMU: Terminated gewenbin@gewenbin-virtual-machine:~/Desktop/qemu_test/lesson1$
如果想从qemu中退出到命令行，先按住“ctrl+a”，然后再按“x”键即可。输入“make clean”即可清零编译结果。
8. 工程源码
链接：https://pan.baidu.com/s/1TnTYr7mywdKj5bxpdmWnyA，提取码：q772，见lesson1。
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