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2014年8月13日

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自作ARMエミュレータ - ARM ldm命令の怪

目次: Linux

ARMのldm命令には変わった機能が付いています。レジスタリストの後ろに付ける ^ なのですが、実は ^ には意味が2通りあります。そのためアセンブラで記述するときすこぶるわかりづらくなっています。

具体例を挙げると、下記の2つのldm命令は、同じようなレジスタリストを指定していて、同じような ^ が付いていますが、命令の意味は全く違います。

2つのハット


ldmdb sp, {r0, r1, r2, pc}^
ldmdb sp, {r0, r1, r2, lr}^

1つ目のldm命令は、sp - 16の指すアドレスからr0, r1, r2, pcにデータをロードして、cpsrレジスタに現在の動作モードのspsrレジスタをコピーせよ、という意味になります。

2つ目ldm命令は、sp - 16の指すアドレスから「ユーザモードの」r0, r1, r2, lrにデータをロードせよ、という意味になります。

何？意味がわからない？恐らく誰でもそうでしょう。私も最初に見たとき意味がわからなくて、目が点になりました。

仕様です

なぜこんなことになるかというと、ARMのldm命令の ^ の意味が、レジスタリストに依存して変わるからです。具体的に言えば、

レジスタリストにpcレジスタが入っていたら、
「pcをロードするldm命令で、カレントモードのspsrをcpsrにコピーすることを示す」

レジスタリストにpcレジスタが入っていなかったら、
「pcをロードしないldm命令で、ユーザモードレジスタをロードすることを示す」

のようにARMの仕様で定義されているからです。

一応の擁護

なんだその仕様は！と思われるでしょうが、この機能は、一般的なプログラムでは全く使われません。使われるのは、割り込みハンドラからの復帰、もしくは特権モードが絡む部分くらいで、いずれもOSの内部です。

そのためARMの初学者が使う可能性はほぼありません。いわゆる「わかってる」人しか使わない通の機能です。

少数のわかっている人しか使わないので、多少可読性が低くてもあまり問題が出ないのでしょう。たぶん。

感想

と、擁護した直後に言うのは憚られますが、正直なところそこまで ^ を酷使せず、せめてどちらかを ^ じゃない別の記号にすれば良かったのにと思わんでもないです。いきなり変えたら大混乱が起きるので、今さらどうしようもありませんけど。

仕様を切るとき、特に将来も下位互換性が求められそうな仕様、オープンな仕様では、記号の一文字取っても、細心の注意が必要だよなーと、強く感じた一件でした。

編集者:すずき(2024/03/05 02:37)

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2014年8月12日

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動かぬ自作エミュレータ

目次: Linux

自作ARMエミュレータ、Linux起動してinitramfs上の /initをexecveするところで必ず失敗するので調べてたら、
do_execve_common() → load_elf_binary() → padzero() → clear_user() → access_ok() → __range_ok()
ときて失敗し、結果的にEFAULTが返っていました。

range_okは常に失敗するわけでもないのが不思議で、さらに調べたらsbc, rsc命令のキャリーフラグ（Cフラグ）のエミュレーションが間違っていて、本来は成功なのに失敗を返す場合があることがわかりました。

ARMの仕様: a - b - cでボローが発生したらキャリーフラグを0
ミスった実装: a - bと(a + b) - c双方でボローが発生したらキャリーフラグを0
修正した実装: a - bか(a - b) - cのどちらかでボローが発生したらキャリーフラグを0

いきさつ

ボロー判定の関数は2項しか取れないから3項は渡せないけど、2回に分けて処理すれば3項でも判定できる！
→ a - bまたはb - cではなく、a - b「かつ」b - cと実装する過ちが発生
引き算は足し算とほぼ処理が同じ！
→ a - bではなく、a + bと実装する過ちが発生

うーん、パッと見ではわからん…。けど、これで2日間も悩んでいた俺って一体…。

メモ: 技術系？の話はFacebookから転記しておくことにした。

編集者:すずき(2024/03/05 02:36)

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2014年8月9日

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IntelliJ IDEAでコピーができない

IntelliJ IDEAのConsoleウインドウのコピー処理でハマりました。

Null文字をprintすると（例えばSystem.out.printf("%c", (char)0); など）、Ctrl+A, Ctrl+Cとキーを押して Consoleの出力結果を全コピーしようとしても、Null文字以降がコピーされません。何これ…困るわ。

バグ？仕様？？

メモ: 技術系？の話はFacebookから転記しておくことにした。

編集者:すずき(2014/08/14 10:23)

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2014年8月8日

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CodeSourceryに代わってLinaroのARMクロスコンパイラを使う

目次: GCC

組み込み系CPU向けクロスコンパイラの定番といえばCodeSourceryですが、ダウンロードのページに行くためにはユーザー登録が必要で、面倒くさいよー、という方も居ると思います。

ARM向けに限りますが、別の選択肢としてLinaroが公開しているクロスコンパイラという手があります。CodeSourcery同様にお手軽に使えるPrebuild版も用意してくれていますので、使い方には困らないと思います。

LinaroのクロスコンパイラでARM用カーネルビルド

# 取得する
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.14.15.tar.xz
wget http://releases.linaro.org/14.07/components/toolchain/binaries/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.07_linux.tar.xz

# 展開する
tar xJvf linux-3.14.15.tar.xz
tar xJvf gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.07_linux.tar.xz

# ビルドする
export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=/home/katsuhiro/share/arm_cross/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.07_linux/bin/arm-linux-gnueabihf-

cd linux-3.14.15
make KBUILD_DEFCONFIG=versatile_defconfig defconfig
make -j4

ビルド成功したようなので、自作ARMv5エミュレータに放り込んでみました。

Linux 3.14 on自作エミュレータ

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:49748', transport: 'socket'
Exception: Reset by 'Init.'.
[    0.000000] Booting Linux on physical CPU 0x0
[    0.000000] Linux version 3.14.15 (katsuhiro@falcon) (gcc version 4.9.1 20140710 (prerelease) (crosstool-NG linaro-1.13.1-4.9-2014.07 - Linaro GCC 4.9-2014.07) ) #1 Fri Aug 8 15:38:54 JST 2014
[    0.000000] CPU: ARM926EJ-S [41069260] revision 0 (ARMv5TEJ), cr=00003137
[    0.000000] CPU: VIVT data cache, VIVT instruction cache
[    0.000000] Machine: ARM-Versatile PB
[    0.000000] Ignoring unrecognised tag 0x00000000
[    0.000000] Memory policy: Data cache writeback
[    0.000000] On node 0 totalpages: 16384
[    0.000000] free_area_init_node: node 0, pgdat c03c4ce8, node_mem_map c3f7a000
[    0.000000]   Normal zone: 128 pages used for memmap
[    0.000000]   Normal zone: 0 pages reserved
[    0.000000]   Normal zone: 16384 pages, LIFO batch:3
[    0.003317] sched_clock: 32 bits at 24MHz, resolution 41ns, wraps every 178956969942ns
[    0.029105] pcpu-alloc: s0 r0 d32768 u32768 alloc=1*32768
[    0.031450] pcpu-alloc: [0] 0 
[    0.042642] Built 1 zonelists in Zone order, mobility grouping on.  Total pages: 16256
[    0.045733] Kernel command line: console=ttyAMA0 mem=64M lpj=0 root=/dev/nfs debug printk.time=1
[    0.093627] PID hash table entries: 256 (order: -2, 1024 bytes)
[    0.109772] Dentry cache hash table entries: 8192 (order: 3, 32768 bytes)
[    0.173519] Inode-cache hash table entries: 4096 (order: 2, 16384 bytes)
[    0.734098] Memory: 60952K/65536K available (2817K kernel code, 157K rwdata, 732K rodata, 115K init, 116K bss, 4584K reserved)
[    0.754145] Virtual kernel memory layout:
[    0.754145]     vector  : 0xffff0000 - 0xffff1000   (   4 kB)
[    0.754145]     fixmap  : 0xfff00000 - 0xfffe0000   ( 896 kB)
[    0.754145]     vmalloc : 0xc4800000 - 0xff000000   ( 936 MB)
[    0.754145]     lowmem  : 0xc0000000 - 0xc4000000   (  64 MB)
[    0.754145]     modules : 0xbf000000 - 0xc0000000   (  16 MB)
[    0.754145]       .text : 0xc0008000 - 0xc037f900   (3551 kB)
[    0.754145]       .init : 0xc0380000 - 0xc039ccd4   ( 116 kB)
[    0.754145]       .data : 0xc039e000 - 0xc03c5420   ( 158 kB)
[    0.754145]        .bss : 0xc03c5420 - 0xc03e2774   ( 117 kB)
[    0.835624] NR_IRQS:224
[    1.433660] VIC @f1140000: id 0x00041190, vendor 0x41
[    1.480147] FPGA IRQ chip 0 "SIC" @ f1003000, 13 irqs, parent IRQ: 63
[    1.600891] Console: colour dummy device 80x30
[    1.608749] Calibrating delay loop... 6.52 BogoMIPS (lpj=32640)
[    2.220671] pid_max: default: 32768 minimum: 301
[    2.257974] Mount-cache hash table entries: 1024 (order: 0, 4096 bytes)
[    2.263175] Mountpoint-cache hash table entries: 1024 (order: 0, 4096 bytes)
[    2.424212] CPU: Testing write buffer coherency: ok
[    2.471352] Setting up static identity map for 0x802ae5b8 - 0x802ae610
[    3.001781] VFP support v0.3: no double precision support
[    3.085927] NET: Registered protocol family 16
[    3.237579] DMA: preallocated 256 KiB pool for atomic coherent allocations
[    3.885257] Serial: AMBA PL011 UART driver
[    3.909160] dev:f1: ttyAMA0 at MMIO 0x101f1000 (irq = 44, base_baud = 0) is a PL011 rev1
[    4.214325] console [ttyAMA0] enabled
UARTIMSC: 0x00000000
UARTICR: 0x0000ffff
[    4.292449] dev:f2: ttyAMA1 at MMIO 0x101f2000 (irq = 45, base_baud = 0) is a PL011 rev1
UARTIMSC: 0x00000000
UARTICR: 0x0000ffff
[    4.371940] dev:f3: ttyAMA2 at MMIO 0x101f3000 (irq = 46, base_baud = 0) is a PL011 rev1
UARTIMSC: 0x00000000
UARTICR: 0x0000ffff
[    4.454404] fpga:09: ttyAMA3 at MMIO 0x10009000 (irq = 70, base_baud = 0) is a PL011 rev1
[    5.788310] bio: create slab <bio-0> at 0
SYS_LED: 0x000000ff
SYS_LED: read 0x00000000
SYS_LED: read 0x00000000
SYS_LED: read 0x00000000
SYS_LED: read 0x00000000
SYS_LED: read 0x00000000
SYS_LED: read 0x00000000
SYS_LED: read 0x00000000
SYS_LED: read 0x00000000
[    6.329351] Switched to clocksource timer3
[    8.419343] NET: Registered protocol family 2
[    8.592061] TCP established hash table entries: 1024 (order: 0, 4096 bytes)
[    8.613714] TCP bind hash table entries: 1024 (order: 0, 4096 bytes)
[    8.632315] TCP: Hash tables configured (established 1024 bind 1024)
[    8.652642] TCP: reno registered
[    8.659583] UDP hash table entries: 256 (order: 0, 4096 bytes)
[    8.675257] UDP-Lite hash table entries: 256 (order: 0, 4096 bytes)
[    8.750198] NET: Registered protocol family 1
[    8.820467] RPC: Registered named UNIX socket transport module.
[    8.827386] RPC: Registered udp transport module.
[    8.833482] RPC: Registered tcp transport module.
[    8.839809] RPC: Registered tcp NFSv4.1 backchannel transport module.
[    8.932090] NetWinder Floating Point Emulator V0.97 (double precision)
[    9.113116] futex hash table entries: 256 (order: -1, 3072 bytes)
Exception: Data abort by 'MMU trans sec, paL1:0x80004000, entryL1:0x00000000, va:0x00000000, dom:0, inst:dat, priv:user, read:rd.'.
[    9.275864] Installing knfsd (copyright (C) 1996 okir@monad.swb.de).
[    9.309731] jffs2: version 2.2. (NAND) Ac 2001-2006 Red Hat, Inc.
[    9.368658] ROMFS MTD (C) 2007 Red Hat, Inc.
[    9.378358] msgmni has been set to 119
[    9.461972] Block layer SCSI generic (bsg) driver version 0.4 loaded (major 254)
[    9.469946] io scheduler noop registered
[    9.475694] io scheduler deadline registered
[    9.485652] io scheduler cfq registered (default)
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Illegal address 0x00000410.
	at net.katsuster.semu.Controller64Reg32.isValidReg(Controller64Reg32.java:57)
	at net.katsuster.semu.GPIO.tryAccess(GPIO.java:79)
	at net.katsuster.semu.GPIO.tryWrite(GPIO.java:69)
	at net.katsuster.semu.Bus64.tryWrite(Bus64.java:168)
	at net.katsuster.semu.MasterCore64.tryWrite(MasterCore64.java:96)
	at net.katsuster.semu.ARMv5.executeStrb(ARMv5.java:3303)
	at net.katsuster.semu.ARMv5.executeSubLdrStr(ARMv5.java:4492)
	at net.katsuster.semu.ARMv5.executeInst(ARMv5.java:4074)
	at net.katsuster.semu.ARMv5.execute(ARMv5.java:4055)
	at net.katsuster.semu.ARMv5.step(ARMv5.java:5201)
	at net.katsuster.semu.CPU.run(CPU.java:158)
	at net.katsuster.semu.Main.main(Main.java:252)
java.lang.IllegalArgumentException: Illegal address 0x00000410.
pc:c0179db4
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:49748', transport: 'socket'

Process finished with exit code 1

GPIOデバイスにアクセスに行くらしく途中で怒られました。GPIOなんて何に使っているんでしょう？他にもボードのLEDを光らせるみたいですが、何したいんだろう…これ。

編集者:すずき(2024/03/05 02:32)

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2014年8月3日

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自作ARMv5エミュレータ（途中）

目次: Linux

せっかく組み込み屋さんやってるんだから、何か一つ組み込みっぽいことでもしようと思い立ち、ARMのエミュレータを書き始めて、はや2ヶ月が経ちました。

Linuxのブートの途中まで動いたみたい

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:52615', transport: 'socket'
Exception: Reset by 'Init.'.
I&D-cache: all invalidated.
I&D-TLB  : all invalidated.
TTBR0    : 0x80004000.
  base   : 0x20001.
SCTLR    : 0x3137.
  V      : true.
  R      : false.
  S      : true.
  A      : true.
  M      : true.
D-TLB    : all invalidated.
I-TLB    : all invalidated.
VICITCR: 0x00000000
VICVECTCNTL[0]: 0x00000020
VICVECTCNTL[1]: 0x00000021
VICVECTCNTL[2]: 0x00000022
VICVECTCNTL[3]: 0x00000023
VICVECTCNTL[4]: 0x00000024
VICVECTCNTL[5]: 0x00000025
VICVECTCNTL[6]: 0x00000026
VICVECTCNTL[7]: 0x00000027
VICVECTCNTL[8]: 0x00000028
VICVECTCNTL[9]: 0x00000029
VICVECTCNTL[10]: 0x0000002a
VICVECTCNTL[11]: 0x0000002b
VICVECTCNTL[12]: 0x0000002c
VICVECTCNTL[13]: 0x0000002d
VICVECTCNTL[14]: 0x0000002e
VICVECTCNTL[15]: 0x0000002f
VICDEFVECTADDR: 0x00000020
SIC_ENCLR: 0xffffffff
SIC_PICENSET: 0xffd00000
Timer1Control: 0x00000000
Timer2Control: 0x00000000
Timer1Control: 0x00000000
Timer2Control: 0x00000000
Timer2Control: 0x00000000
Timer2Load: 0xffffffff
Timer2Value: 0xffffffff
Timer2Control: 0x000000c2
Timer1Control: 0x00000000
Timer1Control: 0x00000022
Timer1Control: 0x00000022
Timer1Control: 0x00000022
Timer1Load: 0x00002710
Timer1Control: 0x000000e2
UARTIMSC: 0x00000000
UARTICR: 0x0000ffff
UARTFBRD: 0x00000004
UARTIBRD: 0x00000027
UARTLCR_H: 0x00000070
[    0.000000] Booting Linux on physical CPU 0x0
[    0.000000] Linux version 3.12.20 (katsuhiro@falcon) (gcc version 4.8.1 (Sourcery CodeBench Lite 2013.11-33) ) #1 Sun Jun 1 00:39:50 JST 2014
[    0.000000] CPU: ARM926EJ-S [41069260] revision 0 (ARMv5TEJ), cr=00003137
[    0.000000] CPU: VIVT data cache, VIVT instruction cache
[    0.000000] Machine: ARM-Versatile PB
[    0.000000] Ignoring unrecognised tag 0x00000000
[    0.000000] Memory policy: ECC disabled, Data cache writeback
[    0.000000] On node 0 totalpages: 16384
[    0.000000] free_area_init_node: node 0, pgdat c03a801c, node_mem_map c03c5000
[    0.000000]   Normal zone: 128 pages used for memmap
[    0.000000]   Normal zone: 0 pages reserved
[    0.000000]   Normal zone: 16384 pages, LIFO batch:3
[    0.000000] sched_clock: 32 bits at 24MHz, resolution 41ns, wraps every 178956ms
[    0.000000] pcpu-alloc: s0 r0 d32768 u32768 alloc=1*32768
[    0.000000] pcpu-alloc: [0] 0 
[    0.000000] Built 1 zonelists in Zone order, mobility grouping on.  Total pages: 16256
[    0.000000] Kernel command line: console=ttyAMA0 mem=64M lpj=0 root=/dev/nfs debug printk.time=1
[    0.000000] PID hash table entries: 256 (order: -2, 1024 bytes)
[    0.000000] Dentry cache hash table entries: 8192 (order: 3, 32768 bytes)
[    0.000000] Inode-cache hash table entries: 4096 (order: 2, 16384 bytes)
[    0.000000] Memory: 61064K/65536K available (2732K kernel code, 153K rwdata, 708K rodata, 114K init, 111K bss, 4472K reserved)
[    0.000000] Virtual kernel memory layout:
[    0.000000]     vector  : 0xffff0000 - 0xffff1000   (   4 kB)
[    0.000000]     fixmap  : 0xfff00000 - 0xfffe0000   ( 896 kB)
[    0.000000]     vmalloc : 0xc4800000 - 0xff000000   ( 936 MB)
[    0.000000]     lowmem  : 0xc0000000 - 0xc4000000   (  64 MB)
[    0.000000]     modules : 0xbf000000 - 0xc0000000   (  16 MB)
[    0.000000]       .text : 0xc0008000 - 0xc03647b8   (3442 kB)
[    0.000000]       .init : 0xc0365000 - 0xc03819dc   ( 115 kB)
[    0.000000]       .data : 0xc0382000 - 0xc03a8740   ( 154 kB)
[    0.000000]        .bss : 0xc03a8740 - 0xc03c4624   ( 112 kB)
[    0.000000] NR_IRQS:224
[    0.000000] VIC @f1140000: id 0x00041190, vendor 0x41
[    0.000000] FPGA IRQ chip 0 "SIC" @ f1003000, 13 irqs
[    0.000000] Console: colour dummy device 80x30
[    1.562791] Calibrating delay loop... 6.52 BogoMIPS (lpj=32640)
[    2.099243] pid_max: default: 32768 minimum: 301
[    2.130496] Mount-cache hash table entries: 512
[    2.273627] CPU: Testing write buffer coherency: ok
[    2.315394] Setting up static identity map for 0xc0299720 - 0xc0299778
[    2.672739] VFP support v0.3: no double precision support
[    2.734862] NET: Registered protocol family 16
[    2.873316] DMA: preallocated 256 KiB pool for atomic coherent allocations
[    3.345429] Serial: AMBA PL011 UART driver
[    3.362809] dev:f1: ttyAMA0 at MMIO 0x101f1000 (irq = 44, base_baud = 0) is a PL011 rev1
[    3.628990] console [ttyAMA0] enabled
UARTIMSC: 0x00000000
UARTICR: 0x0000ffff
[    3.681619] dev:f2: ttyAMA1 at MMIO 0x101f2000 (irq = 45, base_baud = 0) is a PL011 rev1
UARTIMSC: 0x00000000
UARTICR: 0x0000ffff
[    3.735775] dev:f3: ttyAMA2 at MMIO 0x101f3000 (irq = 46, base_baud = 0) is a PL011 rev1
UARTIMSC: 0x00000000
UARTICR: 0x0000ffff
[    3.796222] fpga:09: ttyAMA3 at MMIO 0x10009000 (irq = 70, base_baud = 0) is a PL011 rev1
[    4.796654] bio: create slab <bio-0> at 0
[    5.084143] Switched to clocksource timer3
[    6.655203] NET: Registered protocol family 2
[    6.825171] TCP established hash table entries: 512 (order: 0, 4096 bytes)
[    6.840762] TCP bind hash table entries: 512 (order: -1, 2048 bytes)
[    6.853819] TCP: Hash tables configured (established 512 bind 512)
[    6.871232] TCP: reno registered
[    6.877328] UDP hash table entries: 256 (order: 0, 4096 bytes)
[    6.891042] UDP-Lite hash table entries: 256 (order: 0, 4096 bytes)
[    6.958240] NET: Registered protocol family 1
[    7.029488] RPC: Registered named UNIX socket transport module.
[    7.035967] RPC: Registered udp transport module.
[    7.041442] RPC: Registered tcp transport module.
[    7.047158] RPC: Registered tcp NFSv4.1 backchannel transport module.
java.lang.IllegalArgumentException: Sorry, not implemented.
pc:c016ed88
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:52615', transport: 'socket'
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Sorry, not implemented.
	at net.katsuster.semu.ARMv5.executeLdrbt(ARMv5.java:2625)
	at net.katsuster.semu.ARMv5.executeSubLdrStr(ARMv5.java:4227)
	at net.katsuster.semu.ARMv5.executeInst(ARMv5.java:3833)
	at net.katsuster.semu.ARMv5.execute(ARMv5.java:3814)
	at net.katsuster.semu.ARMv5.step(ARMv5.java:4961)
	at net.katsuster.semu.CPU.run(CPU.java:158)
	at net.katsuster.semu.Main.main(Main.java:222)

Process finished with exit code 1

空き時間でチマチマ実装して、ようやくLinuxブートの途中でクラッシュする、微妙な何かが動くところまで辿り着きました。

この先に進むにはldrt命令が要るようなので、いよいよサボっていたMMUを実装するときが来たようです。しかしまあCPUもMMUも周辺コアもスタブだらけでほぼ実装していないのに、よくここまで動きますね。Linuxってすごいのか適当なのか…。