CPU Collection

この間、見る気は無く、何でも鑑定団なんてのを見てたら（再再放送ぐらいのやつですかね）昔々のコンピュータキット、TLCS-12が出品されてた。この番組を見てた人も懐かしさに駆られてかブログを書いてましたよ。

骨董品値段で、100万円ですって！世界初のマイクロコンピュータ、 i4004が出品されたら、幾らの値段を付けるんだろう？日本でも、大事に大事に持っている人が、そこかしこに居そうだな。

実物を持っているか分かりませんが探してみると、 CPU worldなんてのが出てきました。一般に手に入るのは、インテル系なんですかね。日本国内だと、私の知っているCPUコレクターさんは、ちょっと幅広く集めておられるようです。

実物が無くても、持ってる気分にさせてくれる魔法が有ります。火を入れればちゃんと動く所が凄い、CPUワールドが有るんです。

魔法な所

MIPSの資料を求めてうろうろしてた時に見つけましたよ。魔法な所を。フィーリングで読むアセンブラ入門がそれです。

アセンブラ出力だけで、39種。HelloWorldの出力だけで、18種を誇るコレクターぶり。 CPUのバリエーションも、インテル系だけなんて隔たっておらず、なんでもみさかいなく（これ、褒め言葉ですよ）収拾してるのがいいですね。

特に嬉しいのは、gdb付属の実行環境を使って、あれこれ出来る事でしょう。

# native architectures.
TARGETS_NATIVE += i386-elf.d

# major architectures.
TARGETS_SIM += arm-elf.d h8300-elf.d mips-elf.d powerpc-elf.d sh-elf.d

# other architectures.
TARGETS_SIM += avr-elf.d cris-elf.d frv-elf.d m32r-elf.d m6811-elf.d
TARGETS_SIM += mcore-elf.d mn10300-elf.d sh64-elf.d sparc-elf.d v850-elf.d

# use compiler for main architecture.
TARGETS_SIM += arm16-elf.d mips16-elf.d

折角なので、おいらも何か動かしてみよっと。いろいろ有りすぎて目移りしちゃうんで、メジャーな所から取りあえず、一つだけ選んでみます。

フィーリングで選び(無視し）ます。shって、shellみたいな名前だから却下。powerpcって 3社連合（アプル、モト、IBM）の怨念を引きずっていそうなのでpass。mipsって前回、作ってあるからpass。h8300って、H8の事だよね。はるか昔にやったからpass。sparcなんてのも目につくな。これって、 TOPS 500の2番手、京コンピュータに使われている石じゃないですか。64Bitで8coreを真似してくれたら、入れてもいいんだけど、今回はpass。

そうなると残ったのは、ARMか。自分の携帯に入っていそうだな。今回は、こやつでやってみるか。

ARM環境

ArchLinuxの上に作ってみた。早速、試運転。

[sakae@archbang exec]$ make run
---------------- arm-elf ----------------
---- create source file (sample.c => arm-elf.c)
cp sample.c arm-elf.c
---- compile (arm-elf.c => arm-elf.s)
/usr/local/cross/bin/arm-elf-gcc \
                -fno-builtin -nostdinc -nostdlib -static -O -Wall -g -D___`uname -s | sed 's/[\_\-].*//'`___  \
                -fverbose-asm -fomit-frame-pointer -DARCH=\"arm-elf\"  -o arm-elf.s -S arm-elf.c
---- assemble (arm-elf.s => arm-elf.o)
/usr/local/cross/bin/arm-elf-gcc \
                -fno-builtin -nostdinc -nostdlib -static -O -Wall -g -D___`uname -s | sed 's/[\_\-].*//'`___  \
                  -o arm-elf.o -c arm-elf.s
---- link (arm-elf.o => arm-elf.x)
/usr/local/cross/bin/arm-elf-gcc \
                -fno-builtin -nostdinc -nostdlib -static -O -Wall -g -D___`uname -s | sed 's/[\_\-].*//'`___  \
                -Wl,-Tld.scr lib-arm-elf.S  -o arm-elf.x arm-elf.o
---- simulate (arm-elf.x => arm-elf.sot)
/usr/local/cross/bin/arm-elf-run \
                  arm-elf.x > arm-elf.sot
Hello World! abadface This architecture is arm-elf

長い時間をかけて、造ったかいがありましたよ。あれ？良く見ると、逆アセンブラのコードが出てきていないな。万能すぎるMakefileを改変しすぎたか。それにしても鬼のMakefileだなあ。

[sakae@archbang ~]$ du -sh /usr/local/cross/
105M    /usr/local/cross/

ターゲットが１CPUだと、こんなもので済むんですね。入れてはみたものの、どういうCPUか良く知らんな。資料を探してみる。

玄箱PRO、Linux ZaurusでARMアセンブリプログラミング

こういう楽しいページが出てきた。玄箱ってPowerPCも有るのね。知らなかったよ。こちらも読んで、知ったかぶりしましょ。

移植

上でインストールしたARMはさておき、このLinuxにはmips版のクロスコンパイル環境（組み込み用ライブラリー付き）が入っているので、こちらでもminiライブラリーを使って、Helloをやってみる。

まずは、cross/exec内にある必要なものを頂いてくる。

[sakae@archbang y]$ ls
ld.scr  lib-mips-elf.S  Makefile  sample.c  syscall.h

続いて、要になるMakefileをちょっと改変（改悪？）。このあたりが移植なのかなあ。そして実行

[sakae@archbang y]$ make run
---------------- mips-elf ----------------
---- create source file (sample.c => mips-elf.c)
cp sample.c mips-elf.c
---- compile (mips-elf.c => mips-elf.s)
/usr/local/bin/mipsel-linux-elf-gcc \
    -fno-builtin -nostdinc -nostdlib -static -O -Wall -g -D___`uname -s | sed 's/[\_\-].*//'`___  \
    -fverbose-asm -fomit-frame-pointer -DARCH=\"mips-elf\"  -o mips-elf.s -S mips-elf.c
---- assemble (mips-elf.s => mips-elf.o)
/usr/local/bin/mipsel-linux-elf-gcc \
    -fno-builtin -nostdinc -nostdlib -static -O -Wall -g -D___`uname -s | sed 's/[\_\-].*//'`___  \
    -o mips-elf.o -c mips-elf.s
---- link (mips-elf.o => mips-elf.x)
/usr/local/bin/mipsel-linux-elf-gcc \
    -fno-builtin -nostdinc -nostdlib -static -O -Wall -g -D___`uname -s | sed 's/[\_\-].*//'`___  \
    -Wl,-Tld.scr lib-mips-elf.S -Wl,-Ttext -Wl,0x80000000 -o mips-elf.x mips-elf.o
---- simulate (mips-elf.x => mips-elf.sot)
/usr/local/bin/mipsel-linux-elf-run \
     mips-elf.x > mips-elf.sot
Hello World! abadface This architecture is mips-elf

無事に実行出来ましたよ。でも、引数の中に潜り込んでいる、unameのパイプは何やってる？

[sakae@archbang y]$ uname -s | sed 's/[\_\-].*//'
Linux
[sakae@archbang y]$ uname -s
Linux
[sakae@archbang y]$ uname -a
Linux archbang 3.4.4-2-ARCH #1 SMP PREEMPT Sun Jun 24 17:28:37 UTC 2012 i686 GNU/Linux

リンカーとリンク

折角分かりやすい、上から下まで無色透明の例があるので、こってりと見て行く。まずは、

[sakae@archbang y]$ readelf -e mips-elf.x
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           MIPS R3000
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x80000000
  Start of program headers:          52 (bytes into file)
  Start of section headers:          8108 (bytes into file)
  Flags:                             0x1001, noreorder, o32, mips1
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           32 (bytes)
  Number of program headers:         1
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         20
  Section header string table index: 17

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .text             PROGBITS        80000000 001000 0001f0 00  AX  0   0  4
  [ 2] .rodata           PROGBITS        800001f0 0011f0 000044 01 AMS  0   0  4
  [ 3] .data             PROGBITS        80000400 001400 000004 00  WA  0   0  4
  [ 4] .bss              NOBITS          80000404 001404 000004 00  WA  0   0  4
  [ 5] .stack            NOBITS          80000410 001404 000400 00  WA  0   0  1
  [ 6] .reginfo          MIPS_REGINFO    00000000 001404 000018 01      0   0  4
  [ 7] .pdr              PROGBITS        00000000 00141c 0000c0 00      0   0  4
  [ 8] .comment          PROGBITS        00000000 0014dc 000011 01  MS  0   0  1
  [ 9] .gnu.attributes   LOOS+ffffff5    00000000 0014ed 000010 00      0   0  1
  [10] .debug_line       MIPS_DWARF      00000000 0014fd 0000eb 00      0   0  1
  [11] .debug_info       MIPS_DWARF      00000000 0015e8 000334 00      0   0  1
  [12] .debug_abbrev     MIPS_DWARF      00000000 00191c 000168 00      0   0  1
  [13] .debug_aranges    MIPS_DWARF      00000000 001a88 000040 00      0   0  8
  [14] .debug_loc        MIPS_DWARF      00000000 001ac8 0002c0 00      0   0  1
  [15] .debug_str        MIPS_DWARF      00000000 001d88 0000aa 01  MS  0   0  1
  [16] .debug_frame      MIPS_DWARF      00000000 001e34 0000bc 00   o  0   0  4
  [17] .shstrtab         STRTAB          00000000 001ef0 0000ba 00      0   0  1
  [18] .symtab           SYMTAB          00000000 0022cc 0002f0 10     19  18  4
  [19] .strtab           STRTAB          00000000 0025bc 0000cc 00      0   0  1

Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings)
  I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)
  O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

Program Headers:
  Type           Offset   VirtAddr   PhysAddr   FileSiz MemSiz  Flg Align
  LOAD           0x001000 0x80000000 0x80000000 0x00404 0x00810 RWE 0x1000

 Section to Segment mapping:
  Segment Sections...
   00     .text .rodata .data .bss .stack

readelf(i386用)とmipsel-linux-elf-readelfは同じ挙動をするの？これってひょっとして endianが同一だから？まあ、中身には触れないで、管理情報だけを扱うOSっぽい事をしてるだけだから、兼用出来ちゃうんだな。それを証拠に、中身をもろに扱うアプリは、

[sakae@archbang y]$ objdump -d mips-elf.x

mips-elf.x:     file format elf32-little

objdump: can't disassemble for architecture UNKNOWN!

そんなもの知るかいって、文句たれますな。

次は、readelfした時に出て来る、Entry addressの0x80000000。これリンクの時に、-Wl,0x80000000で指定してるのね。疑い深いおいらは、-Wl,0x80000300にずらしてa.outを作ってみた。

[sakae@archbang y]$ mipsel-linux-elf-nm a.out
00000010 A _.d1
00000014 A _.d2
00000018 A _.d3
0000001c A _.d4
0000000c A _.frame
00000040 A _.tmp
00000004 A _.xy
00000008 A _.z
8000035c T __close
8000031c T __exit
8000034c T __open
8000032c T __read
8000033c T __write
80000808 B _ebss
80000804 D _edata
80000c10 A _end
80000534 R _erodata
80000c10 B _estack
800004f0 T _etext
80000800 A _gp
80000300 T _start     ;; <=======
80000804 B bss_value
80000800 D data_value
8000036c T exit
800004b0 T main
800003a4 T putchar
800003d0 T puts
80000428 T putxval
8000037c T write1

うん、なる程。で、armの逆アセンブルリストを見てたら、1400番地からコードが詰まっていた。arm版は、特に配置アドレスを指定していないけど、この1400と言う値は何処から出てくるの？

その答えは、ld.scrを嫁って事でした。

        .text 0x1400 : {
                *(.text .text.*)
                _etext = .;
        }

ここに、デフォの値がセットしてあったのね。ついでに、このスクリプトと、nmした時に出て来る値を比べてみると、なーる程ってなって、今までの疑問が氷解しましたよ。こういう事は、例のリンカー本に懇切丁寧に解説されているんだろうね。真面目に読んでみよっと。

面白いのは、lib-mips-elf.Sの冒頭付近に書いてある、ここ見ろっていう案内。

/*
 * Use reserved instruction.
 * See gdb/sim/mips/interp.c:signal_exception(),sim_monitor()
 * (ReservedInstruction)
 * Memory address is defined by K0BASE. (See gdb/sim/mips/interp.c)
 */
     :
        /*
         * To avoid exit message.
         * (See gdb/sim/mips/mips.igen:break,HALT_INSTRUCTION)
         */

まずは簡単な所から

/* Note that the monitor code essentially assumes this layout of memory.
   If you change these, change the monitor code, too.  */
/* FIXME Currently addresses are truncated to 32-bits, see
   mips/sim-main.c:address_translation(). If that changes, then these
   values will need to be extended, and tested for more carefully. */
#define K0BASE  (0x80000000)
#define K0SIZE  (0x20000000)
#define K1BASE  (0xA0000000)
#define K1SIZE  (0x20000000)

0x80000000以下は、ユーザーのための領域。それ以上は、カーネル領域となり、3つの区画(K0-K2)に分かれてると言うのがMIPSでのお約束。K0もK1もアドレス変換を行わないエリア。そして、K1はキャッシュしないエリアとなっている。（きっと、I/O関係のレジスタでも置くんだろうな）と言う事は、何でも出来るカーネルモードなのね。だから、節度ある使い方をしてねって事か。このあたりの事は、例の本では、291ページから例外って事で説明してたよ。ちらちら本を見てたら、SPIMでは、I/OレジスタをK2エリアに割り付けていたぞ。

次は、sim_monitorあたりかな。

    case 6: /* int open(char *path,int flags) */
      {
        char *path = fetch_str (sd, A0);
        V0 = sim_io_open (sd, path, (int)A1);
        free (path);
        break;
      }

    case 7: /* int read(int file,char *ptr,int len) */
      :
    case 8: /* int write(int file,char *ptr,int len) */
      :
    case 10: /* int close(int file) */
      :
    case 17: /* void _exit() */
      :

この case XXって、理由って名前を評価したものなんだけど、これって割り込みの理由って事なのね。そう思って、lib-mips-elf.Sを覗くと、有りましたねぇ。俗に言うシステムコール番号ってやつ。

#define SYS_exit  17
#define SYS_open   6
#define SYS_read   7
#define SYS_write  8
#define SYS_close 10

lib-arm-elf.Sの該当部分がどうなっているかと調べてみると、

#define SWI_Exit  0x11
#define SWI_Open  0x66
#define SWI_Close 0x68
#define SWI_Write 0x69
#define SWI_Read  0x6a

この違いは、gdb-simの作者様の違いによるものだろう。そんな各作者の意図をソースから読み取って、lib-xxx-elf.Sを造っちゃう人って尊敬しちゃうぞ。これが一番の逸品だと思いますね。

一方、割り込みの上位概念に相当するのが例外だ。（なんて書くと、厳格な人からは注意されそう）signal_exceptionが担当する事になってる。 gdb-simの都合で、上記の割り込みは、予約命令として扱ってるのかな。

  switch (exception) {
    case DebugBreakPoint:
      :
    case ReservedInstruction:
      :
    default:
      :
     switch ((CAUSE >> 2) & 0x1F) { 
       case Interrupt:
       case NMIReset:
       case TLBModification:
       case TLBLoad:
       case TLBStore:
       case AddressLoad:
       case AddressStore:
       case InstructionFetch:
       case DataReference:
       case ReservedInstruction:
       case CoProcessorUnusable:
       case IntegerOverflow:
       case FPE:
       case BreakPoint:
       case SystemCall:
       case Trap:
       case Watch:
         :

2番目のswitch以下の分岐では、ほとんどの場合、sim-haltするように実装されてた。と言う事は gdb-simは、軽くユーザーアプリを動かす時に使ってねって事です。夢々、カーネルっぽいアプリを動かしてはいけません。

最後は、HALTを見てからHALTします。

000000,20.CODE,001101:SPECIAL:32::BREAK
"break %#lx<CODE>"
*mipsI:
*mipsII:
  :
{
  /* Check for some break instruction which are reserved for use by the simulator.  */
  unsigned int break_code = instruction_0 & HALT_INSTRUCTION_MASK;
  if (break_code == (HALT_INSTRUCTION  & HALT_INSTRUCTION_MASK) ||
      break_code == (HALT_INSTRUCTION2 & HALT_INSTRUCTION_MASK))
    {
      sim_engine_halt (SD, CPU, NULL, cia,
                       sim_exited, (unsigned int)(A0 & 0xFFFFFFFF));
    }
  :

HALTに出会ったら、終了って風に読めるんだけど、冒頭の方に余計なものが付いてて、Cのソースじゃない事は分かるな。ファイル名からして、mips.igenってなってるし。こりゃ、mipsの命令の定義書だな。きっとこれを元に、Cのソースを自動生成するのだろうな。行頭のやつは、難だ？ファイルの冒頭にあるのが、説明書かな。

//    <insn> ::=
//        <insn-word> { "+" <insn-word> }
//        ":" <format-name>
//        ":" <filter-flags>
//        ":" <options>
//        ":" <name>
//        <nl>
//        { <insn-model> }
//        { <insn-mnemonic> }
//        <code-block>

もしかしてBFD(big fucking deal)に関係してる？？

hexedit

フィーリング... のページでおまけとして紹介されたhexedit。パッチを当ててより便利に使いましょうって案内。

早速、FreeBSDにもArchLinuxにも入れておきました。昔、おいらがMac信者だった頃、一番使ってたのがResEditって言うツール。hexeditも必需品になりそうな予感。

ここでもMIPS

PIC32MX220 (200円のMIPS CPU)を使うとか、retroBSD on PIC32マイコンとか、感覚の鋭いお方は、遊び方が素晴らしいですね。

上記の石は、日本の趣味の電子工作を支えてきた、秋月ちゃんが売ってるそうで、こちらも鋭い。折角なので、この石に魅せられた方を探してみた。

PIC32MX220 Tutorials の回路図を見ると、石は28PinのDIPなのね。これだと、おいらにも作れそうだな。200円の石にも A/Dコンバーターが付いてるなんて、飽食な時代だねぇ。そんな事より、MIPSが200円ってのに驚けよ！！

仕様書は、MICROCHIP のサイトに有るのか。落としてきて読んでみるかな。