ComProcでDOSを動かす

ComProcでDOSを動かす 2024年12月01日 第4回自作CPUを語る会 @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 ⚫第4回から当会の主催 ⚫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 ◼ byt信号のバグ修正 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 ◼ byt信号のバグ修正 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。

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。

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 ◼ byt信号のバグ修正 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

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 ◼ byt信号のバグ修正 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

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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

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 ◼ byt信号のバグ修正 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

SPHA命令の動作 ⚫SPHA：Store to Program memory High word, Address ◼ プログラムメモリの上位ワードへ書く。アドレスを残す。 ⚫Pmem[stack[0]] = stack[1] を行い、stack[1]以降をポップする。 Pmem Stack 15 17 0 SPHA実行後のStack 1 0 0 addr 1 high 2 low 15 SPHA 1 0 0 addr 1 low 2 foo Stack[0]（アドレス） は残り、stack[1]以降 がポップされる 25

SPLA命令の動作 ⚫SPLA：Store to Program memory Low word, Address ◼ プログラムメモリの下位ワードへ書く。アドレスを残す。 ⚫SPHAとSPLAは、転送先の上位、下位が違うだけ Pmem Stack 15 17 0 SPHA実行後のStack 1 0 0 addr 1 low 2 foo 15 SPLA 1 0 0 addr 1 foo Stack[0]（アドレス） は残り、stack[1]以降 がポップされる 2 26

__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 ◼ byt信号のバグ修正 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

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 ◼ byt信号のバグ修正 30

byt信号のバグ修正
⚫DOSを作っていたら不可解なバグ

に遭遇
⚫lcd_puts("MBR ");でMしか表示
されない
⚫2回実行すると「MMBR 」となる
⚫何回実行しても再現性100%
⚫デバッグの時系列はXに
https://x.com/uchan_nos/status/1854286101386780755

⚫解決まで足かけ4日！

void lcd_out4(int rs, int val) {
lcd_port = (val << 4) | rs | 1;
delay_ms(2);
lcd_port = lcd_port & 0xfe;
}
void lcd_out8(int rs, int val) {
lcd_out4(rs, val >> 4);
lcd_out4(rs, val & 0x0f);
}
void lcd_putc(int ch) {
lcd_out8(4, ch);
}
void lcd_puts(char *s) {
while (*s) {
lcd_putc(*s++);
}
}

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• https://x.com/uchan_nos/status/1854286101386780755

バグ特定の大雑把な流れ1/2 ⚫MCU→LCDの信号を確認 ◼ 正常。正しく「バグった表示」になる信号が出ていた。 ⚫最小の再現コードを作る ◼ 作る過程で、未使用関数を削除すると挙動が変わるなど、非常に不安定 だった。 ◼ ただし、コードを変えなければ実行結果はいたって安定。 ⚫lcd_putcの呼び出し回数を確認 ◼ Cコードにカウント処理を追加するとバグが出なくなるため、Verilogで回 路的にカウント。 ◼ 正確にLCDに表示された文字数の分だけ呼ばれている。 ⚫lcd_putsの動作を追う ◼ CPU内部の値をデバッグ用のピンに出力し確認 ◼ 文字コードが読めるはずなのに0（NUL文字）が読めていることが判明 32

バグ特定の大雑把な流れ2/2 ⚫UART受信データを確認 ◼ 受信データをデバッグ用ピンに出力し確認 ◼ データ化けは無かった ⚫メモリをダンプ ◼ CPU実行直前のメモリ（dmem）をダンプ ◼ 文字コードが書かれているべきところに0が！ ◼ 正しく書けていない or 途中で0になっちゃう ⚫メモリの制御信号を確認 ◼ byt信号が0であるべきなのに1になる瞬間があることが判明 33

byt信号のバグ修正 ⚫UARTからプログラム受信中はbyt=0に強制することで解消 ⚫ -assign dmem_byt = cpu_dmem_byt; ⚫ +assign dmem_byt = img_recv_state == IMG_RECV_WAIT & cpu_dmem_byt; ⚫bytはバイトアクセスを示す信号 ◼ dmemは16ビット幅 ◼ 一度に16ビットを読み書き可能 ◼ byt=1だと8ビット単位の読み書きとなる ⚫UARTから受信したデータは16ビット単位でdmemに書く ⚫受信中にbyt=1となると8ビットが失われる ⚫byt=1になる理由も特定したが、長くなるので割愛 34

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 35

おまけ：自作CPU同士を繋ぐ ⚫MSMP: Make-cpu Simple Messaging Protocol ⚫11/12昼：私がNLP-16Aと通信したいと打診 ◼ ラボユース修了生が作っているNALD Only CPU ⚫11/12夜：リングバス状に多数のCPUを繋ぎたいという話が出た ノード1 ノード2 ノードn RX RX RX TX TX TX ⚫11/13：仕様検討を進め仕様を公開 ⚫11/13夜：インターフェース基板の設計を開始 40

考案したプロトコルの仕様 ⚫仕様書 ◼ MSMP: 自作CPU向けメッセージングプロトコル https://scrapbox.io/uchan/%E8%87%AA%E4%BD%9CCPU%E5%90%91%E3%81%91%E3%83%A1%E3%83%8 3%E3%82%BB%E3%83%BC%E3%82%B8%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%83%97%E3%83%AD%E3%83%88%E 3%82%B3%E3%83%AB ⚫物理層 ◼ 9600bps UART ◼ MIDIと同様のオプトアイソレータによる絶縁 ⚫論理層 ◼ 4ビットノードアドレス ◼ メッセージ本文0～63バイト可変長 ◼ バイト送信間隔の規定 • デフォルトで20ms • 受信バッファが小さいCPUへの配慮 byte 0 1 2 7 4 3 0 dddd ssss ttll llll xxxx xxxx 意味 dddd=DST、ssss=SRC tt=TYPE、llllll=LEN BODY 41

• https://scrapbox.io/uchan/自作CPU向けメッセージングプロトコル

インターフェース回路 42