ComProcでDOSを動かす

ComProcでDOSを動かす 2024年11月30日 第42回 自作OSもくもく会 @uchan_nos 1

自己紹介 ⚫内田公太 @uchan_nos ⚫サイボウズ・ラボ株式会社 ◼ コンピュータ技術エバンジェリスト ◼ 教育用OS・言語処理系・CPUの研究開発 ⚫osdev-jp創始者の1人 ⚫代表著作 ◼ 「ゼロからのOS自作入門」 ◼ 「自作エミュレータで学ぶx86アーキテクチャ」 ◼ 「コンパイラとCPUどっちも作ってみた」 ◼ Software Design 2023年4月号 第1特集 第2章 コンピュータが計算できる理由 2

ComProcプロジェクトとは ⚫ComProc=Compiler+Processor ⚫CPUとコンパイラを自作する、uchan主導のプロジェクト ◼ CPUとコンパイラを作るプロジェクトは珍しくない ◼ ComProcプロジェクトはCPUとコンパイラを同時並行に進化させる点で、 他のプロジェクトとは一線を画す ⚫ComProcプロジェクトの構成要素 ◼ CPU回路：Verilogで記述されたCPUの実装 ◼ ComProcボード：FPGAボードを中核とした基板 ◼ コンパイラ実装：ComProcプロジェクトのもう一つの主役 ◼ アセンブラ実装：アセンブリ言語プログラムを受け取って機械語へ変換 3

ComProc PC ⚫自作CPU用の周辺機器を搭載 したボード ComProc PC Rev.1で キーボード入力を試している様子 ←前作の基板 ComProc CPU Board Rev.4 はドットマトリクスLEDを 装備しており、CPU本体の 開発段階では便利だった。 ◼ 4行キャラクタLCD ◼ 128×64ピクセルOLED ◼ 64キーキーボード ◼ 輝度センサー（CdS） ◼ 圧電スピーカー ⚫FPGAボードはTang Nano 9K ◼ 右上の黒い基板 ◼ microSDカードスロット有り 4

本日の話題一覧 ⚫自己紹介 ⚫作ったDOSの紹介 ⚫やったこと ◼ 大きなプログラムを動かせるように ◼ SDカードのファイル読み取り ◼ 位置独立実行ファイルのサポート ◼ プログラムメモリへの命令転送 ◼ 関数ポインタの導入 5

本日の話題一覧 ⚫自己紹介 ⚫作ったDOSの紹介 ⚫やったこと ◼ 大きなプログラムを動かせるように ◼ SDカードのファイル読み取り ◼ 位置独立実行ファイルのサポート ◼ プログラムメモリへの命令転送 ◼ 関数ポインタの導入 6

作ったDOSの紹介 ⚫DOS: Disk Operating System ◼ 「磁気ディスク装置を使用可能としたオペレーティングシステム」 • https://ja.wikipedia.org/wiki/DOS_%28OS%29 ◼ SDカードからデータを読み取るプログラムを作ったので「DOS」と呼ぶ ことにした ⚫作ったDOS ◼ SDカードに保存されたプログラムを読み、実行する • ルートディレクトリに*.EXEとして保存 ◼ システムコールはまったく無く、単にプログラムへジャンプするだけ ◼ 現状、プログラムローダーと呼ぶ方が正しい 7

• https://ja.wikipedia.org/wiki/DOS_(OS)

作ったDOSのデモ 「SDv1…」はDOSの初 期表示。 lsでSDカードのファイ ルを一覧する。 ld <file>で実行ファイ ルをメモリに読み出す。 runでメモリ上のプログ ラムを起動する。 「waiting enter...」は app.exeの出力。Enterを 押すとOSに処理が戻り、 終了コードが表示される。 8

DOSと起動されるプログラムの関係 0000h 2000h プログラムメモリ OSの機械語 .text FP 4000h むファイル。 ⚫.textはプログラムメモリへ置かれ、 ⚫.dataはデータメモリへ置かれる。 ⚫.textの先頭をCALLする。 4000h 0000h 0100h GP 2000h ⚫APP.EXEは2つのセクション.dataと.textを含 データメモリ OS用静的データ .data ローカル変数 OSのローカル変数 ⚫.textの先頭には「CALL main」が置かれてい て、main関数が実行される。 ⚫GPが.dataの先頭を指す。 ⚫スタックフレームはOS用の領域と連続する。 9

本日の話題一覧 ⚫自己紹介 ⚫作ったDOSの紹介 ⚫やったこと ◼ 大きなプログラムを動かせるように ◼ SDカードのファイル読み取り ◼ 位置独立実行ファイルのサポート ◼ プログラムメモリへの命令転送 ◼ 関数ポインタの導入 10

大きなプログラムを動かせるように ⚫各種の最適化による効率化 項目 最適化前 最適化後 変化率 符号無し整数 1641W 1634W -0.42% FPが変化するときだけCPUSH/CPOPを発行 1634W 1624W -0.61% 引数が1個の場合にST/LDのペアを消去 1624W 1609W -0.92% なるべく即値付きCALLを使用 1451W 1341W -7.6% ⚫ハーバードアーキテクチャ化によるビット幅拡張 ◼ CALLの即値が14ビット=16Kワードに ◼ 16ビット即値を一発で転送 11

本日の話題一覧 ⚫自己紹介 ⚫作ったDOSの紹介 ⚫やったこと ◼ 大きなプログラムを動かせるように ◼ SDカードのファイル読み取り ◼ 位置独立実行ファイルのサポート ◼ プログラムメモリへの命令転送 ◼ 関数ポインタの導入 12

SDカードのファイル読み取り ⚫SPI通信回路の追加 ◼ CS、SCLK、MOSI、MISOの4ピン ⚫SDカード制御の各種コマンド実装 ⚫ブロック単位での読み込み実験 http://elm-chan.org/docs/mmc/mmc.html ⚫FAT16ドライバの実装 ◼ 実験では2GBのmicroSDカードを使用 ◼ WindowsでFATを選びフォーマットしたらFAT16になった ◼ FAT16は16ビットCPUで扱いやすくて助かる～ 13

• http://elm-chan.org/docs/mmc/mmc.html

ファイル読み込みの手順（おさらい） 0000h SDカードの記憶域 パーティションテーブル 1. MBRのパーティションテーブル からPBRのセクタ番号を得る 2. PBRから各種情報を得る（1クラ スタあたりのセクタ数など） 3. ルートディレクトリエントリか ら目的のファイルを探し、開始 クラスタ番号を得る 4. クラスタ番号からセクタ番号を 計算し、ファイル内容を読む MBR 55AA 0200h 0800h BPB_SecPerClus, BPB_RsvdSecCnt, BPB_FATSz16, … 55AA PBR FAT1/FAT2 ルートディレクトリエントリ ファイルデータ 14

本日の話題一覧 ⚫自己紹介 ⚫作ったDOSの紹介 ⚫やったこと ◼ 大きなプログラムを動かせるように ◼ SDカードのファイル読み取り ◼ 位置独立実行ファイルのサポート ◼ プログラムメモリへの命令転送 ◼ 関数ポインタの導入 15

位置独立実行ファイルのサポート ⚫DOSというからにはSDカードに置いたプログラムを実行したい ⚫今までは、0番地から実行開始する前提があった ⚫これからは、OSとアプリが両方0番地だと困る ◼ ComProc MCUには「仮想アドレス」が無いので。 ⚫主な変更 ⚫CALLをIP相対化 ⚫グローバル変数領域を指すGPを導入 16

CALLをIP相対化 ⚫今まで即値付きCALLは絶対アドレス指定だった ⚫CALLをIP+simm14に改めた ⚫JMPやJZは元からIP相対 ⚫これで、プログラムをどこに配置しても正常に分岐できる！ mnemonic 17 12 7 0 説明 ---------------------------------------CALL simm14 |0000 simm14 | コールスタックに ip をプッシュし、ip+simm14 にジャンプ JMP simm12 |000100 simm12 | ip+simm12 にジャンプ ADD fp,simm12 |000101 simm12 | fp += simm12 JZ simm12 |000110 simm12 | stack から値をポップし、0 なら ip+simm12 にジャンプ 17

グローバル変数領域を指すGPを導入 ⚫今まで、メモリアクセス命令（LD/ST）のベースは4種 ◼ 0：絶対アドレス ◼ FP：スタックフレーム先頭 ◼ IP：実行中の命令アドレス ◼ CSTACK：Cstack[0] • 古い時代、Cstack[0]にはFPが保存されていた。 ⚫IP相対は、ハーバードアーキテクチャ化により無意味に ⚫CSTACK相対は、コンパイラの最適化により未使用に ⚫ということで、ベースを以下3種に改めた ◼ 0：絶対アドレス ◼ FP：スタックフレーム先頭 ◼ GP：グローバル領域先頭 18

GPに対応するコンパイラの修正 ⚫今まで、グローバル変数や文字列定数は絶対アドレスでアクセス していた ⚫GP相対でアクセスするように修正 ◼ 今まで：st zero+0x0142 ◼ これから：st gp+0x0042 ⚫絶対アドレスモードは0x0000～0x0100にあるメモリマップトI/O 用に残してある 0000h GP FP 4000h データメモリ メモリマップトI/O グローバル変数+ 文字列定数 ローカル変数 19

GPを設定するビルトイン関数 ⚫GPを書き換えたくなるが、C言語の標準には機能がない ◼ 一般に、インラインアセンブラかビルトイン関数として実現 ◼ 今回はビルトイン関数にしてみた ⚫void __builtin_set_gp(unsigned int); ◼ 単に pop gp に置き換えられる ◼ __builtin_set_gp(41); → push 41; pop gp ⚫ビルトイン関数とした理由：引数を受け取れるから ⚫現状、インラインアセンブラは、C側から値を受け取れない 20

実行ファイルの形式 ⚫先頭4バイトがヘッダ ◼ 0～1：.textの命令数 ◼ 2～3：.dataのバイト数 ◼ ヘッダ領域はCコードレベルで確保する→ ◼ アセンブラがヘッダに値を埋める // app.c unsigned int pmem_len; unsigned int dmem_len; 《後略》 ⚫ファイル先頭が.data、その後ろに.textが続く ◼ .text先頭は512バイトアライメント ⚫.textの先頭から実行開始するというルール ◼ コンパイラは.textの先頭に「start: call main」を出力する。 ◼ コンパイラを改造すれば、すぐmainを呼ぶのではなく、何らかの初期化処 理を挟むことも可能。 22

本日の話題一覧 ⚫自己紹介 ⚫作ったDOSの紹介 ⚫やったこと ◼ 大きなプログラムを動かせるように ◼ SDカードのファイル読み取り ◼ 位置独立実行ファイルのサポート ◼ プログラムメモリへの命令転送 ◼ 関数ポインタの導入 23

プログラムメモリへの命令転送 ⚫SDカードから読んだデータは、まずdmemへ置かれる ◼ SDカード上のデータ→SPIデータレジスタ（dmem上にマップ） ⚫命令として実行するにはpmemに置く必要がある ⚫演算スタック→pmem転送のための命令を新設：SPHA、SPLA ◼ Dmemから演算スタックを経由してpmemへ転送する設計 0000h dmem 0000h SPIデータレジスタ 0100h 4000h OS用静的データ OSのローカル変数 転送する 4000h pmem OSの機械語 .text 24

__builtin_write_pmem ⚫SPHA、SPLAを発行するビルトイン関数 ⚫int __builtin_write_pmem(int addr, int hi, int lo); ◼ spha; splaに置き換わる ⚫関数の引数は右から順にスタックに積まれる ◼ __builtin_write_pmem(addr, high, low)の場合 push low push high この時点の 0 addr push addr スタック 1 high spha 2 low spla ⚫SPHA、SPLAはアドレスを残すので、連続実行できる！ 27

本日の話題一覧 ⚫自己紹介 ⚫作ったDOSの紹介 ⚫やったこと ◼ 大きなプログラムを動かせるように ◼ SDカードのファイル読み取り ◼ 位置独立実行ファイルのサポート ◼ プログラムメモリへの命令転送 ◼ 関数ポインタの導入 28

関数ポインタの導入 ⚫OSからアプリを呼ぶために、特定の番地をCALLしたい ⚫関数ポインタ！ ⚫簡易な関数ポインタ型を導入 ⚫「普通の型」の後に「(」が来たら関数ポインタとみなす ◼ 普通の型：intとか、char*とか ⚫関数ポインタの文法：TYPE ( * ID ) ( ) ◼ 今のところ、引数リストには何も書けない ◼ 関数呼び出しでは引数のチェックをしていないので、問題無し 関数ポインタの使用例： OSがアプリを呼ぶところ int (*f)() = 0x1000; __builtin_set_gp(block_buf); int ret_code = f(); 29

まとめ 本日の話題一覧 ⚫ 自己紹介 ⚫ 作ったDOSの紹介 ⚫ やったこと このスライドでは ⚫アプリを起動し ⚫31を入力し ⚫1F（=31）が表示される までの道のりを説明した ◼ 大きなプログラムを動かせるように ◼ SDカードのファイル読み取り ◼ 位置独立実行ファイルのサポート ◼ プログラムメモリへの命令転送 ◼ 関数ポインタの導入 30