시작하기 전

책에서 사용하는 소스 코드들을 해당 레포지토리에서 살펴볼 수 있습니다.

깃허브 레포지토리 링크

3.1 리셋 벡터

ARM 코어에 전원이 들어가면 리셋 벡터에 있는 명령을 먼저 실행시킵니다.

리셋 벡터의 메모리 주소는 0x00000000입니다.

Entry.S 소스 코드

.text
    .code 32

    .global vector_start
    .global vector_end

    vector_start:
        MOV     R0, R1
    vector_end:
        .space 1024, 0
.end

.text 섹션을 정의한다 .code 32는 한 명령어의 크기가 32bits = 4Bytes임을 의미한다. .global 지시어는 C의 extern과 동일하며 전역변수를 의미한다. vector_start 레이블에서는 R1의 값을 R0로 옮기는 작업을 수행한다. vector_end 레이블에서는 현재 위치로부터 1,024bytes를 0으로 채우는 작업을 수행한다.

Entry.S 파일을 컴파일하고 바이너리를 덤프해봤습니다.

arm-none-eabi-as -march=armv7-a -mcpu=cortex-a8 -o Entry.o ./Entry.S
arm-none-eabi-objcopy -O binary Entry.o Entry.bin

hexdump Entry.bin

0001 e1a0이 보입니다.

예상한 대로 제대로 바이너리 파일이 생성됐습니다.

3.2 실행 파일 만들기

QEMU가 펌웨어 파일을 읽어서 부팅하려면 지정한 펌웨어 바이너리 파일이 ELF 파일 형식이여야 합니다.

arm-none-eabi-as를 이용하여 생성한 Entry.o 파일이 ELF 파일입니다.

ELF 파일을 만들려면 링커의 도움이 필요합니다.

링커가 동작하려면 링커 스크립트를 작성해야 합니다.

(보통 애플리케이션을 만들 때는 신경쓰지 않지만, 펌웨어를 개발할 때는 다르다고 합니다.)

navilos.ld 소스코드

ENTRY(vector_start)
SECTIONS
{
    . = 0x0;


    .text :
    {
        *(vector_start)
        *(.text .rodata)
    }
    .data :
    {
        *(.data)
    }
    .bss :
    {
        *(.bss)
    }
} 

아래 명령어를 이용하여 실행 파일을 만들어줍니다.

arm-none-eabi-ld -n -T ./navilos.ld -o navilos.axf boot/Entry.o

arm-none-eabi-objdump 명령어를 사용하여 파일이 어떤 명령어로 구성되어 있는지 확인해봤습니다. 디스어셈블한 결과를 살펴보면 mov r0, r1 명령어가 잘 배치되어 있습니다.

3.3 QEMU에서 실행해보기

실행 파일을 만들어봤지만 터미널에서 실행시키려 시도해보면 안 됩니다.

ARM 개발 보드에 다운로드 시켜서 동작을 확인하거나 QEMU로 실행해보면 됩니다.

qemu-system-arm -M realview-pb-a8 -kernel navilos.axf -S gdb tcp::1234, ipv4

실습을 하는 도중 문제가 발생했습니다.

arm-none-eabi-gdb 파일이 어디있는지 찾을 수가 없다고 합니다.

askubuntu 사이트에서 저랑 같은 문제를 겪은 사람들을 찾아봤고 실제로 존재했습니다.

내용을 살펴보니, gdb-multiarch 패키지를 설치하는 것을 추천하는 답변이 있었습니다.

sudo apt-get update
sudo apt-get install gdb-multiarch

잘 동작하는 것을 보아, 실습을 진행하는 데 딱히 문제는 없어보입니다.

gdb-multiarch

3.4 빌드 자동화하기

일단 make와 관련된 패키지들을 설치했습니다.

sudo apt-get install make

Makefile을 만들어서 빌드를 자동화해봤습니다.

책에서 나온 코드와 조금 달라진 점이 존재합니다.

# 타겟 아키텍처와 CPU를 지정합니다.
ARCH = armv7-a
MCPU = cortex-a8

# GNU ARM Embedded Toolchain의 도구들을 지정합니다.
CC = arm-none-eabi-gcc
AS = arm-none-eabi-as
LD = arm-none-eabi-ld
OC = arm-none-eabi-objcopy

# 링커 스크립트 파일의 경로를 지정합니다.
LINKER_SCRIPT = ./navilos.ld

# boot 디렉토리 내의 모든 어셈블리 소스 파일들을 찾습니다.
ASM_SRCS = $(wildcard boot/\*.S)

# 어셈블리 소스 파일들을 대응하는 오브젝트 파일 경로로 변환합니다.
ASM_OBJS = $(patsubst boot/%.S, build/%.o, $(ASM_SRCS))

# 최종 생성될 실행 파일과 바이너리 파일의 경로를 지정합니다.
navilos = build/navilos.axf
navilos_bin = build/navilos.bin

# 실제 파일과 관련이 없는 타겟들을 지정합니다.
.PHONY: all clean run debug gdb

# 기본 타겟으로, navilos 실행 파일을 생성합니다.
all: $(navilos)

# 빌드 과정에서 생성된 파일들을 정리합니다.
clean:
    @rm -fr build

# QEMU 에뮬레이터를 사용하여 빌드된 커널을 실행합니다.
run: $(navilos)
    qemu-system-arm -M realview-pb-a8 -kernel $(navilos)

# 디버깅 모드에서 QEMU를 사용하여 커널을 실행합니다.
# GDB 서버가 TCP 포트 1234를 통해 대기 상태가 됩니다.
debug: $(navilos)
    qemu-system-arm -M realview-pb-a8 -kernel $(navilos) -S -gdb tcp::1234,ipv4

# GNU Debugger(GDB)를 시작합니다.
gdb:
    arm-none-eabi-gdb

# navilos 실행 파일을 생성하는 규칙입니다.
# 어셈블리 오브젝트 파일들과 링커 스크립트를 사용하여 링크합니다.
# 그런 다음 objcopy를 사용하여 바이너리 파일로 변환합니다.
$(navilos): $(ASM_OBJS) $(LINKER_SCRIPT)
    $(LD) -n -T $(LINKER_SCRIPT) -o $(navilos) $(ASM_OBJS)
    $(OC) -O binary $(navilos) $(navilos_bin)

# 각 어셈블리 소스 파일을 오브젝트 파일로 컴파일하는 규칙입니다.
# 필요한 디렉토리를 생성한 후 어셈블리 파일을 컴파일합니다.
build/%.o: boot/%.S
    mkdir -p $(shell dirname $@)
    $(AS) -march=$(ARCH) -mcpu=$(MCPU) -g -o $@ $<

3.5 하드웨어 정보 읽어오기 - 데이터시트를 읽는 방법

하드웨어의 정보를 읽어오는 간단한 코드를 만들어봤습니다.

Entry.S 소스 코드

.text
    .code 32

    .global vector_start
    .global vector_end

    vector_start:
        LDR     R0, =0x10000000
        LDR     R1, [R0]
    vector_end:
        .space 1024, 0
.end

0x10000000에는 어떤 데이터가 들어있을까 궁금하여 유져 가이드 문서를 찾아봤습니다. SYS_ID 레지스터는 0x10000000 주소에 위치하고 있으며 오로지 데이터를 읽을 수만 있답니다. 32bit 크기의 데이터를 5개의 항목으로 쪼개놓았고 각 항목이 가지는 값에 따라 의미가 존재합니다.

현재 해당 정보를 어디에 사용할 수 있을지 감이 잡히지 않습니다. 다만 실습이 성공했는지 파악하는 용도로는 사용이 가능할 것 같습니다. 소스 코드를 컴파일하여 실습을 진행해보겠습니다.

R0 레지스터에 0x10000000가 들어간 것을 확인할 수 있고 ...

R1 레지스터에 0x1780500 값이 저장된 것을 확인할 수 있었습니다. 코드를 작성하여 읽어온 정보를 분석해보겠습니다.

SYS_ID_analysis.py 소스 코드

data = input("input data : ")
data = int(data,16)

fpga = (data & 0xFF)
arch = (data & 0xF00) >> 8
build = (data & 0xF000) >> 12
hbi = (data & 0xFFF0000) >> 16
rev = (data & 0xF0000000) >> 28

if rev == 0 :
    print("Board revision : Rev A")
elif rev == 1 :
    print("Board revision : Rev B")
elif rev == 2 :
    print("Board revision : Rev C")
else :
    print("rev : {0}".format(rev))

print("hbi board number : {0}".format(hex(hbi)))


if arch == 0x4 :
    print("Bus architecture : AHB")
elif arch == 0x5 :
    print("Bus architecture : AXI")
else : 
    print("Bus : {0}".format(hex(bus)))

실행시켜보면 책에서 나온 정보와 일치하는 것을 확인할 수 있습니다.

3.6 요약

코드를 작성하고 하드웨어에서 실행해봤습니다.

제대로 동작하는지 확인해보기 위해 하드웨어의 레지스터에 접근해봤습니다.

결과를 확인하기 위해 gdb도 사용해봤습니다.

3.7 비고

gdb, Make, 링커 스크립트에 대한 간단한 정리가 필요할 것 같습니다.

일단 실습은 계속 진행하면서 시간적으로 여유가 생기면 블로그에 내용을 정리하여 포스트로 올리겠습니다.