コグノスケ

Zephyrのブート処理 - ドライバの初期化まで

目次: Zephyr

前回はリセット直後からC言語の関数と出会うところまでを紹介しました。今回はドライバの初期化までを紹介します。

// zephyr/arch/riscv/core/prep_c.c

void _PrepC(void)
{
        z_bss_zero();
#ifdef CONFIG_XIP
        z_data_copy();
#endif
#if defined(CONFIG_RISCV_SOC_INTERRUPT_INIT)
        soc_interrupt_init();
#endif
        z_cstart();
        CODE_UNREACHABLE;
}

ブート後に最初に出会うC言語の関数 _PrepC() ですが、実はまだグローバル変数の初期化が終わっていませんので、この関数で初期化しています。z_bss_zero() は、ゼロ初期化される変数の領域（BSS）を0で初期化します。z_data_copy() は、変数領域をROMからRAMにコピーします。

XIP（Execution In Place）が有効な場合、コード領域はFlash ROMなどに配置され、CPUはROMから直接コードを読み出して実行します。コード領域はそれで良いですが、変数の初期値もROMにおかれていて、そのままでは変数に書き込みできません。そのためROMからRAMにコピーする必要があります。

最後のz_start() まで来ると、やっと普通のC言語の世界です。

// zephyr/kernel/init.c

FUNC_NORETURN void z_cstart(void)
{

        ...

        /* perform basic hardware initialization */
        z_sys_device_do_config_level(_SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_1);    //★level = 0
        z_sys_device_do_config_level(_SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2);


// zephyr/include/init.h

#define _SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_1    0
#define _SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2    1
#define _SYS_INIT_LEVEL_POST_KERNEL     2
#define _SYS_INIT_LEVEL_APPLICATION     3

初期化関数z_cstart() は、色々ごちゃごちゃやっているのですが、真ん中あたりでドライバの初期化が行われます。レベルをPRE_KERNEL_1 (level 0), PRE_KERNEL_2 (level 1) の順に指定して、z_sys_device_do_config_level() という関数を呼びます。ちなみにPOST_KERNEL (level 2), APPLICATION (level 3) はもっと後で、カーネルの初期化が終わった後に使われます。

初期化される対象はデバイスドライバ以外（後述の、メモリ割り当てシステムドライバなど）もありますけど、仕組みは同じみたいです。

// zephyr/kernel/device.c

extern struct device __device_init_start[];
extern struct device __device_PRE_KERNEL_1_start[];
extern struct device __device_PRE_KERNEL_2_start[];
extern struct device __device_POST_KERNEL_start[];
extern struct device __device_APPLICATION_start[];
extern struct device __device_init_end[];

...

void z_sys_device_do_config_level(s32_t level)
{
        struct device *info;
        static struct device *config_levels[] = {
                __device_PRE_KERNEL_1_start,
                __device_PRE_KERNEL_2_start,
                __device_POST_KERNEL_start,
                __device_APPLICATION_start,
                /* End marker */
                __device_init_end,
        };

        for (info = config_levels[level]; info < config_levels[level+1];
                                                                info++) {
                int retval;
                const struct device_config *device_conf = info->config;
                ...

実装は上記のようになっています。level 0の場合は __device_PRE_KERNEL_1_start[] という配列を先頭から処理します。他のレベルも同様ですね。

======== <-- config_levels[0]
__device_PRE_KERNEL_1_start[0]
__device_PRE_KERNEL_1_start[1]
...
__device_PRE_KERNEL_1_start[n]
======== <-- config_levels[1]
__device_PRE_KERNEL_2_start[0]
__device_PRE_KERNEL_2_start[1]
...
__device_PRE_KERNEL_2_start[n]
======== <-- config_levels[2]
__device_POST_KERNEL_start[0]
__device_POST_KERNEL_start[1]
...
__device_POST_KERNEL_start[n]
======== <-- config_levels[3]
__device_APPLICATION_start[0]
__device_APPLICATION_start[1]
...
__device_APPLICATION_start[n]
======== <-- __device_init_end

このようにメモリ上にstruct deviceがレベル順に並んでいることを期待しているようです。しかし配列の実体はCのソースコード上には存在しないように見えます。これは一体何者なんでしょう？

続きはまた今度。

Zephyrのブート処理 - C言語と出会うまで

目次: Zephyr

以前（2020年2月1日の日記参照）Zephyrのエントリアドレスを調べましたが、もう少し先までZephyrのブート処理を調べます。復習となりますが、起動の仕方は下記のとおりです。

$ qemu-system-riscv32 -nographic -machine spike -net none -chardev stdio,id=con,mux=on -serial chardev:con -mon chardev=con,mode=readline -kernel zephyr/build/zephyr/zephyr.elf -s -S

$ riscv64-zephyr-elf-gdb zephyr/build/zephyr/zephyr.elf

...

(gdb) target remote localhost:1234
Remote debugging using localhost:1234
0x00001000 in ?? ()

ブート処理を追うにはデバッガが必須です（ブート部分でシリアル出力はできません）。これも前回の復習となりますが、QEMUはGDBでデバッグするためのオプションを持っています。オプション -sはGDBの接続をlocalhost:1234で受け付けます、という意味で、オプション -SはエミュレータをHalted状態で起動するという意味です。

GDBを接続すると、PCは0x1000を指しています。QEMU Spikeモードはリセット後0x1000から実行を開始するようです。何度かステップ実行siを行うと、0x1010から0x80000000にジャンプするはずです。

   0x1000:      auipc   t0,0x0
   0x1004:      addi    a1,t0,32
   0x1008:      csrr    a0,mhartid
   0x100c:      lw      t0,24(t0)
=> 0x1010:      jr      t0        # 0x80000000にジャンプ

0x1000: 0x00000297      0x02028593      0xf1402573      0x0182a283
0x1010: 0x00028067      0x00000000      0x80000000      0x00000000
                                        ↑この値をロードする

特に難しい話ではなく0x1000 + 24 = 0x1018からロード（0x80000000が書かれている）して、ジャンプするだけです。ジャンプ先にはZephyrのエントリポイント __startがいます。

// zephyr/soc/riscv/riscv-privilege/common/vector.S

SECTION_FUNC(vectors, __start)
        .option norvc;

        /*
         * Set mtvec (Machine Trap-Vector Base-Address Register)
         * to __irq_wrapper.
         */
        la t0, __irq_wrapper
        csrw mtvec, t0

        /* Jump to __initialize */
        tail __initialize


// zephyr/arch/riscv/core/isr.S

/*
 * Handler called upon each exception/interrupt/fault
 * In this architecture, system call (ECALL) is used to perform context
 * switching or IRQ offloading (when enabled).
 */
SECTION_FUNC(exception.entry, __irq_wrapper)
        /* Allocate space on thread stack to save registers */
        addi sp, sp, -__z_arch_esf_t_SIZEOF

        /*
         * Save caller-saved registers on current thread stack.
         * NOTE: need to be updated to account for floating-point registers
         * floating-point registers should be accounted for when corresponding
         * config variable is set
         */
        RV_OP_STOREREG ra, __z_arch_esf_t_ra_OFFSET(sp)
        RV_OP_STOREREG gp, __z_arch_esf_t_gp_OFFSET(sp)
        RV_OP_STOREREG tp, __z_arch_esf_t_tp_OFFSET(sp)
        RV_OP_STOREREG t0, __z_arch_esf_t_t0_OFFSET(sp)
        ...

__startは __irq_wrapper関数のアドレス（C言語の関数ではないので、関数と呼ぶのは変ですが）を割り込みベクタに設定したあと、__initializeにジャンプします。

// zephyr/arch/riscv/core/reset.S

/*
 * Remainder of asm-land initialization code before we can jump into
 * the C domain
 */
SECTION_FUNC(TEXT, __initialize)
        /*
         * This will boot master core, just halt other cores.
         * Note: need to be updated for complete SMP support
         */
        csrr a0, mhartid
        beqz a0, boot_master_core

loop_slave_core:
        wfi
        j loop_slave_core

boot_master_core:

#ifdef CONFIG_INIT_STACKS
        ...
#endif

        /*
         * Initially, setup stack pointer to
         * _interrupt_stack + CONFIG_ISR_STACK_SIZE
         */
        la sp, _interrupt_stack
        li t0, CONFIG_ISR_STACK_SIZE
        add sp, sp, t0

#ifdef CONFIG_WDOG_INIT
        call _WdogInit
#endif

        /*
         * Jump into C domain. _PrepC zeroes BSS, copies rw data into RAM,
         * and then enters kernel z_cstart
         */
        call _PrepC

最初にmhartidというCPUコアのIDを読み取ります。0番をマスターコアとして、0番以外のコアは割り込み待ち（wfi）の無限ループに入ります。マスターコアはスタックポインタの初期化を行って、_PrepC() 関数を呼び出します。

ここからやっとC言語の世界です。

Zephyr OSで遊ぼう その9 - Zephyr 2.2.0に対応する

目次: Zephyr

Zephyrは開発中なので、ときおり内部構造が変わり、過去と互換性がなくなってしまうことがあります。ボードやSoCの定義も例外ではありません。

前回までの説明ではZephyr 2.1.0を使用していましたが、2.1.0から2.2.0の間で、ボードのdefconfigの書き方が変更されました。具体的に言うと、

• ボード側: アーキテクチャCONFIG_RISCVを書かなくて良くなった
• SoC側: CONFIG_RISCVをdepends on → selectに変える必要が生じた

下記のパッチにあるような変更をすると、2.2.0でもHogeボードとSpike SoCの対応が適用できます。

•  Hogeボードのパッチ
•  SoCのパッチ

それぞれ1行ずつしか変更していませんので、すぐわかると思います。

Zephyrの不思議なコンフィグ

ZephyrはLinuxと同じKconfigを採用していますが、コンフィグの起点に対する考え方がだいぶ違います。Zephyrは最初にcmakeで「ボード名（-DBOARDオプション）」を指定します。すなわちコンフィグの起点はボードです。一方のLinuxはexport ARCH=x86のようにアーキテクチャを設定の起点にします。

Zephyr 2.1.0では、アーキテクチャ（CONFIG_RISCVなど）、SoC（CONFIG_SOC_RISCV_SIFIVE_FREEDOMなど）、ボードの依存関係は下記のようになっていました。

アーキテクチャ（ボードのdefconfigがyにする）← アーキテクチャが依存の起点
↑depends on
SoC（ボードのdefconfigがyにする）
↑depends on
ボード（ボードのdefconfigがyにする）← Zephyrはなぜかボードがコンフィグの起点

依存関係とコンフィグの起点が矛盾しているためmenuconfigが異常な動きをします。おそらくninja menuconfigを弄れば矛盾に気づくと思いますが、Zephyrはなぜかボードが未対応のアーキテクチャやSoC（例えばqemu_riscv32でCONFIG_ARMを選択できる）を有効にできます。Zephyr 2.1.0だと2つ、おかしな設定ができます。

• qemu_riscv32ボードで未対応のアーキテクチャ（例えばCONFIG_X86）を選択すると、SoCの選択肢がおかしくなる（X86だと言っているのに、RISC-V用のSoCが出てくる）
• qemu_riscv32ボードで未対応のSoC（例えばCONFIG_SOC_LITEX_VEXRISCV）を選択すると、ボードの一覧が空になって選べなくなる（これは2.2.0でもできる）

実際にninja menuconfigで、qemu_riscv32が未対応のアーキテクチャを選ぶと下記のようになります。

# qemu_riscv32のデフォルト

    Modules  --->
    Board Selection (QEMU RISCV32 target)  --->
    Board Options  ----
    SoC/CPU/Configuration Selection (SiFive Freedom SOC implementation)  --->
    Hardware Configuration  --->
    RISCV Options  --->
    Architecture (RISCV architecture)  --->
    General Architecture Options  --->
    General Kernel Options  --->
    ...


# ボードが対応していないアーキテクチャを選択すると、SoCが勝手に変わる、ボードは何も選べなくなる

    Modules  --->
    Board Selection  ----
    Board Options  ----
    SoC/CPU/Configuration Selection (LiteX VexRiscv system implementation)  --->    ★なぜかRISC-V用のSoCが出てくる
    Hardware Configuration  ----
    Architecture (x86 architecture)  --->    ★x86に変えた
    General Architecture Options  --->
    General Kernel Options  --->
    ...

そもそもx86が選択可能な時点でおかしいですが、x86を選択したのにx86じゃないSoCが選択肢に出てくるなど、かなりおかしな動きです。

中途半端に直ったZephyr 2.2.0

Zephyr 2.2.0では依存関係は下記のように、少しだけ整理されました。

アーキテクチャ（SoCが強制的にyにする、menuconfigでは触れない）
↑select
SoC（ボードのdefconfigがyにする）
↑depends on
ボード（ボードのdefconfigがyにする）← ここが起点

アーキテクチャを変えることが出来なくなりました。前よりマシですが、やはり変なところは残っていて、未対応のSoCを選択するとボードの選択肢が消えてしまいます。

# qemu_riscv32のデフォルト

    Modules  --->
    Board Selection (QEMU RISCV32 target)  --->
    Board Options  ----
    SoC/CPU/Configuration Selection (SiFive Freedom SOC implementation)  --->
    Hardware Configuration  --->
    RISCV Options  --->
    ...


# SoCを無理やり未対応のものに変えると、ボードが選べなくなる

    Modules  --->
    Board Selection  ----
    Board Options  ----
    SoC/CPU/Configuration Selection (LiteX VexRiscv system implementation)  --->
    Hardware Configuration  ----
    RISCV Options  --->
    ...

個人的にはZephyrのKconfigの使い方は変だな、と思います。依存関係があることはわかっているのだから、依存の根本の方から設定（要は、アーキテクチャ → SoC → ボード、の順）したら良いのに、Zephyrはなぜかボードの設定から固定していて、変な動きになっています。

Linuxはどうしているかというと、最初にexport ARCH=x86とします。すなわち、アーキテクチャを設定の起点にしています。自然です。特に変な動きもしません。

Zephyrの方がLinuxより後発ですが、ビルド周りは退化したように感じます。不思議。

Zephyr OSで遊ぼう その8 - 独自のシリアルドライバの実装

目次: Zephyr

前回はシリアルドライバの枠組み、というか、何も実装されていないドライバを追加しました。今回はシリアルドライバを実装します。

Zephyrのドライバについてはドキュメント（Device Driver Model - Zephyr Project Documentation）があります。ドライバの定義や初期化を司るAPIがDriver APIの節に書いてあります。

今回作成するUARTドライバでは初期化は要りませんが、ドライバのAPIをいくつか実装したいのでDEVICE_AND_API_INIT() を使います。

UARTのドライバで実装できるAPIの一覧はドキュメント（UART - Zephyr Project Documentation）に書いてあります。APIはたくさんありますが、poll_in, poll_outがあれば動作するようなので、この2つを作ります。

コードは下記のようにしました。

/*
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */

/**
 * @brief UART driver for the Spike Simulator
 */

#include <kernel.h>
#include <arch/cpu.h>
#include <drivers/uart.h>

volatile u64_t tohost;
volatile u64_t fromhost;

void uart_spike_poll_out(struct device *dev, unsigned char c)
{
        u64_t cmd;

        // QEMU spike mode
        u8_t dev_no = 1;
        u8_t cmd_no = 1;
        u64_t payload = c;

        cmd = ((u64_t)dev_no << 56) |
                ((u64_t)cmd_no << 48) |
                (payload & 0xffffffffffffULL);

        tohost = cmd;

        while (fromhost == 0)
                ;
        fromhost = 0;
}

static int uart_spike_poll_in(struct device *dev, unsigned char *c)
{
        return -1;
}

static int uart_spike_init(struct device *dev)
{
        return 0;
}

static const struct uart_driver_api uart_spike_driver_api = {
        .poll_in          = uart_spike_poll_in,
        .poll_out         = uart_spike_poll_out,
};

DEVICE_AND_API_INIT(uart_spike_0, DT_INST_0_SPIKE_UART_SPIKE_LABEL,
                    uart_spike_init, NULL, NULL,
                    PRE_KERNEL_1, CONFIG_KERNEL_INIT_PRIORITY_DEVICE,
                    (void *)&uart_spike_driver_api);

このままビルドするとDEVICE_AND_API_INIT() に渡しているラベルDT_INST_0_SPIKE_UART_SPIKE_LABELが未定義だと怒られます。これについては後ほど作り方を説明します。

zephyr/drivers/serial/uart_spike.c:73:35: error: 'DT_INST_0_SPIKE_UART_SPIKE_LABEL' undeclared here (not in a function); did you mean 'DT_COMPAT_SPIKE_UART_SPIKE'?
 DEVICE_AND_API_INIT(uart_spike_0, DT_INST_0_SPIKE_UART_SPIKE_LABEL,
                                   ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
../include/device.h:106:11: note: in definition of macro 'DEVICE_AND_API_INIT'
   .name = drv_name, .init = (init_fn),     \
           ^~~~~~~~
[89/97] Linking C static library zephyr/libzephyr.a
ninja: build stopped: subcommand failed.

初期化はDEVICE_AND_API_INIT() で指定します。引数の意味は DEVICE_AND_API_INIT() のドキュメントを見たほうが良いでしょう。

引っかかりそうなところはdev_nameにダブルクォートを「付けない」こと、一番に初期化されるようにPRE_KERNEL_1にすることくらいでしょうか。

QEMU Spikeモードの文字出力

文字出力poll_outの実装は、グローバル変数に謎の数字を書くだけの不思議実装になっていますが、これはQEMU SpikeモードのHost, Guest間インタフェースの仕様に従っているためです。

ちなみにQEMU側はこんなコードになっています。

// https://github.com/qemu/qemu/blob/master/hw/riscv/riscv_htif.c

...

static void htif_handle_tohost_write(HTIFState *htifstate, uint64_t val_written)
{
    uint8_t device = val_written >> 56;
    uint8_t cmd = val_written >> 48;
    uint64_t payload = val_written & 0xFFFFFFFFFFFFULL;
    int resp = 0;

...

    } else if (likely(device == 0x1)) {
        /* HTIF Console */
        if (cmd == 0x0) {
            /* this should be a queue, but not yet implemented as such */
            htifstate->pending_read = val_written;
            htifstate->env->mtohost = 0; /* clear to indicate we read */
            return;
        } else if (cmd == 0x1) {
            qemu_chr_fe_write(&htifstate->chr, (uint8_t *)&payload, 1);
            resp = 0x100 | (uint8_t)payload;
        } else {
            qemu_log("HTIF device %d: unknown command\n", device);
        }
    } else {

...

    htifstate->env->mfromhost = (val_written >> 48 << 48) | (resp << 16 >> 16);
    htifstate->env->mtohost = 0; /* clear to indicate we read */
}

途中のif文を見るとわかるように、device=1, cmd=1にすると文字が出力できます。またQEMUが文字出力を終えたときにfromhostが0以外の値に書き換わります（なので、Zephyrのシリアルドライバ側ではfromhostをポーリングで監視する実装にしています）。

シリアルドライバのラベル定義とbindings

DT_INST_0_SPIKE_UART_SPIKE_LABELのようなラベルはユーザが定義するのではなく、zephyr/dts/bindings以下のファイルに存在するcompatibleと、デバイスツリーを突き合わせて自動生成するみたいです。命名規則については、以前Zephyr OSで遊ぼう その3（2020年2月4日の日記参照）で紹介したとおりです。

# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

description: UART for Spike Simulator

compatible: "spike,uart-spike"

include: uart-controller.yaml

デバイスツリーのcompatibleの突き合わせとラベルの自動生成は、zephyr/scripts/dts/gen_defines.pyとedtlib.py辺りでやっていることは間違いなさそうなのですが、詳細な仕組みはまだ追えていません。

若干もやっとしますがYAMLファイルを作成して、compatibleをデバイスツリーで使用したものと合わせると、目的のラベルDT_INST_0_SPIKE_UART_SPIKE_LABELが定義され、ビルドが通ります。

Hello world

ビルドが通ったら実行します。

$ /usr/bin/qemu-system-riscv32 -nographic -machine spike -net none -chardev stdio,id=con,mux=on -serial chardev:con -mon chardev=con,mode=readline -kernel zephyr/build/zephyr/zephyr.elf

qemu-system-riscv32: clint: time_hi write not implemented
qemu-system-riscv32: clint: time_lo write not implemented
qemu-system-riscv32: clint: time_hi write not implemented
*** Booting Zephyr OS build zephyr-v2.1.0-1699-gbb40304f2531  ***
Hello World! hoge

やっとHello worldが拝めました。長かった。 （2/19追記: qemu-system-riscv32: clint: time_hi write not implementedのエラーメッセージはmtimeとmtimecmpのアドレスが逆だったために発生していたエラーです。アドレス修正後は表示されません）

パッチ

今まで説明してきた変更をパッチとしてまとめておきます。

•  Hogeボード（SiFive SoC使用版）追加のパッチ
•  QEMU Spikeモード用シリアルドライバ追加のパッチ
•  QEMU Spikeモード用SoC追加のパッチ
•  Hogeボード（Spike SoC使用版）変更のパッチ

Zephyr OSで遊ぼう その7 - 独自のシリアルドライバの枠組み

目次: Zephyr

Zephyrのビルドに成功し、gdbで追跡したところHello worldのmain関数まで到達していることもわかりました。ここまでくればあとは文字出力だけです。

まずHogeボードのdefconfigにCONFIG_UART_SPIKE=yを加えます。cmakeに「そんなコンフィグはない」と怒られるようになりますが、これから作るのでOKです。

シリアルドライバのKconfig, CMake

シリアルドライバのディレクトリはzephyr/drivers/serialにあります。ディレクトリの構造を見ると、CMakeLists.txt, Kconfig.*, ソースコードuart_*.cが並んでいます。この3つの組を追加もしくは変更すれば良さそうです。

# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

menuconfig UART_SPIKE
        bool "Spike Simulator serial driver"
        depends on SOC_RISCV_SPIKE
        select SERIAL_HAS_DRIVER
        help
          This option enables the Spike Simulator serial driver.

名前は何でも良いですが、Kconfig.spikeという名前にしました。Kconfig.socとは違って、ファイルを足すだけではダメで、シリアルドライバのKconfigから読んでもらう必要があります。

...

source "drivers/serial/Kconfig.litex"

source "drivers/serial/Kconfig.rtt"

source "drivers/serial/Kconfig.xlnx"

source "drivers/serial/Kconfig.spike"    # ★この行を足す★

endif # SERIAL

Kconfigを追加してcmakeをするとまだ怒られます。CMakeList.txtも変更する必要があるとのことです。

-- Configuring done
CMake Error at ../../cmake/extensions.cmake:372 (add_library):
  No SOURCES given to target: drivers__serial
Call Stack (most recent call first):
  ../../cmake/extensions.cmake:349 (zephyr_library_named)
  ../../drivers/serial/CMakeLists.txt:3 (zephyr_library)


CMake Generate step failed.  Build files cannot be regenerated correctly.
FAILED: build.ninja

CMakeLists.txtは他の行に習って追加します。CMakeLists.txtを変更しただけだとuart_spike.cが無いと言われるので、touch uart_spike.cで空のファイルを作成します。

...

zephyr_library_sources_if_kconfig(uart_liteuart.c)
zephyr_library_sources_ifdef(CONFIG_UART_RTT_DRIVER uart_rtt.c)
zephyr_library_sources_if_kconfig(uart_xlnx_ps.c)
zephyr_library_sources_if_kconfig(uart_spike.c)    # ★この行を足す★

...

他の行に習って追加するだけではつまらないので、CMakeのスクリプトも眺めます。今回使用したzephyr_library_sources_if_kconfig() とzephyr_library_sources_ifdef() との違いは、ソースコードのコメントにある説明がわかりやすいです。

ファイル名を大文字にして、CONFIG_ と連結させた名前（今回のケースだとCONFIG_UART_SPIKE）を生成して、コンフィグが有効ならソースコードをビルド対象に加えるという意味です。Kconfigのコンフィグはy, n, mの3値を取りますが、Zephyrのスクリプトでは、コンフィグが有効だとyという値が入り、無効だと未定義になるようです。

# zephyr/cmake/extensions.cmake

...

# zephyr_library_sources_if_kconfig(fft.c)
# is the same as
# zephyr_library_sources_ifdef(CONFIG_FFT fft.c)

...

function(zephyr_library_sources_if_kconfig item)
  get_filename_component(item_basename ${item} NAME_WE)
  string(TOUPPER CONFIG_${item_basename} UPPER_CASE_CONFIG)
  zephyr_library_sources_ifdef(${UPPER_CASE_CONFIG} ${item})
endfunction()

...

function(zephyr_library_sources_ifdef feature_toggle source)
  if(${${feature_toggle}})
    zephyr_library_sources(${source} ${ARGN})
  endif()
endfunction()


# zephyr/cmake/extensions.cmake

...

function(zephyr_library_sources source)
  target_sources(${ZEPHYR_CURRENT_LIBRARY} PRIVATE ${source} ${ARGN})
endfunction()

...

以上の変更でビルドが通り、シリアルドライバを実装する枠が完成しました。続きは次回。

Zephyr OSで遊ぼう その6 - 独自のSoC定義でビルド

目次: Zephyr

やっとcmakeを通過したので、いよいよビルドに挑みます。

In file included from ../include/arch/cpu.h:25,
                 from ../include/kernel_includes.h:34,
                 from ../include/kernel.h:17,
                 from zephyr/arch/riscv/core/offsets/offsets.c:16:
../include/arch/riscv/arch.h:25:10: fatal error: soc.h: No such file or directory
 #include <soc.h>
          ^~~~~~~
compilation terminated.
ninja: build stopped: subcommand failed.

他のsoc.hを見ると、soc_common.h, devicetree.hというヘッダをインクルードしているようです。それに習っておきます。

/*
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */

/**
 * @file SoC configuration macros for the Spike series processor
 */

#ifndef __RISCV_SPIKE_SOC_H_
#define __RISCV_SPIKE_SOC_H_

#include <soc_common.h>
#include <devicetree.h>

#endif /* __RISCV_SPIKE_SOC_H_ */

再びビルドすると、今度はPLIC_* がないと怒られます。

zephyr/drivers/interrupt_controller/intc_plic.c: In function 'riscv_plic_irq_enable':
zephyr/drivers/interrupt_controller/intc_plic.c:45:41: error: 'DT_PLIC_IRQ_EN' undeclared (first use in this function); did you mean 'PLIC_IRQS'?
  volatile u32_t *en = (volatile u32_t *)DT_PLIC_IRQ_EN;
                                         ^~~~~~~~~~~~~~
                                         PLIC_IRQS

RISC-V Privileged系のSoCではPLICという割り込みコントローラのドライバが自動的に有効になります。今回、動作させるに当たってPLICのサポートは不要なので、zephyr/boards/riscv/hoge/hoge_defconfigで無効にします。具体的にはCONFIG_PLIC=nを足します。

この後cmakeからやり直してみると、

zephyr/drivers/timer/riscv_machine_timer.c: In function 'set_mtimecmp':
zephyr/drivers/timer/riscv_machine_timer.c:28:31: error: 'RISCV_MTIMECMP_BASE' undeclared (first use in this function)
  volatile u32_t *r = (u32_t *)RISCV_MTIMECMP_BASE;
                               ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~
zephyr/drivers/timer/riscv_machine_timer.c:28:31: note: each undeclared identifier is reported only once for each function it appears in
zephyr/drivers/timer/riscv_machine_timer.c: In function 'mtime':
zephyr/drivers/timer/riscv_machine_timer.c:47:31: error: 'RISCV_MTIME_BASE' undeclared (first use in this function)
  volatile u32_t *r = (u32_t *)RISCV_MTIME_BASE;
                               ^~~~~~~~~~~~~~~~
[87/94] Linking C static library zephyr/kernel/libkernel.a
ninja: build stopped: subcommand failed.

CLINTのレジスタmtime, mtimecmpのアドレスを必要としているようです。

CLINTのレジスタはどこに？

他のSoCを眺めてみると、CLINTのレジスタアドレスを定義する場所はsoc.hのようです。しかし肝心のアドレスがわかりません。QEMUのドキュメントに載っていれば簡単でしたが、見当たらなかったのでQEMUのソースコードを見ます。

// https://github.com/qemu/qemu/blob/master/hw/riscv/spike.c

static const struct MemmapEntry {
    hwaddr base;
    hwaddr size;
} spike_memmap[] = {
    [SPIKE_MROM] =     {     0x1000,    0x11000 },
    [SPIKE_CLINT] =    {  0x2000000,    0x10000 },
    [SPIKE_DRAM] =     { 0x80000000,        0x0 },
};


// https://github.com/qemu/qemu/blob/master/include/hw/riscv/sifive_clint.h

enum {
    SIFIVE_SIP_BASE     = 0x0,
    SIFIVE_TIMECMP_BASE = 0x4000,
    SIFIVE_TIME_BASE    = 0xBFF8
};

ベースアドレスが0x02000000で、レジスタのオフセットアドレスもわかりました。soc.hに追記します。
（2/19訂正: MTIMECMP_BASEとMTIME_BASEのアドレスが逆だったので、修正しました）

/* Timer configuration */
#define RISCV_MTIMECMP_BASE          0x02004000
#define RISCV_MTIME_BASE             0x0200bff8

再びビルドします。やっとビルドをパスしました。

$ ninja

[0/1] Re-running CMake...
-- Zephyr version: 2.1.99
-- Selected BOARD hoge
-- Loading zephyr/boards/riscv/hoge/hoge.dts as base
hoge.dts.pre.tmp:22.17-25.5: Warning (simple_bus_reg): /soc/serial: missing or empty reg/ranges property
  also defined at hoge.dts.pre.tmp:37.8-39.3
Devicetree header saved to 'zephyr/build/zephyr/include/generated/devicetree_unfixed.h'
Parsing zephyr/Kconfig
Loaded configuration 'zephyr/build/zephyr/.config'
No change to configuration in 'zephyr/build/zephyr/.config'
No change to Kconfig header in 'zephyr/build/zephyr/include/generated/autoconf.h'
-- Cache files will be written to: /home/katsuhiro/.cache/zephyr
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: zephyr/build
[89/94] Linking C executable zephyr/zephyr_prebuilt.elf
Memory region         Used Size  Region Size  %age Used
             RAM:       12752 B        16 KB     77.83%
        IDT_LIST:          25 B         2 KB      1.22%
[94/94] Linking C executable zephyr/zephyr.elf

まだめでたしめでたし、ではありません。

実行、デバッグ

生成されたバイナリを実行すると何かエラーが表示されるものの、Hello worldは表示されません。残念です。

$ /usr/bin/qemu-system-riscv32 -nographic -machine spike -net none -chardev stdio,id=con,mux=on -serial chardev:con -mon chardev=con,mode=readline -kernel zephyr/build/zephyr/zephyr.elf

qemu-system-riscv32: clint: time_hi write not implemented
qemu-system-riscv32: clint: time_lo write not implemented
qemu-system-riscv32: clint: time_hi write not implemented

このままでは全く何も実行されていないのか、惜しいところまで実行されたのか判別が付きません。以前ご紹介した（2020年1月31日の日記参照）デバッグオプション -sと -Sを使い、gdbで追跡します。

復習ですが、オプション -sはGDBの接続をlocalhost:1234で受け付け、-SはエミュレータをHalted状態で起動しgdbから再開要求をするまで動かないで待っている、という意味です。

$ riscv64-zephyr-elf-gdb zephyr/build/zephyr/zephyr.elf

GNU gdb (crosstool-NG 1.24.0.60-a152d61) 8.3.1
Copyright (C) 2019 Free Software Foundation, Inc.

...

(gdb) target remote localhost:1234

Remote debugging using localhost:1234
0x00001000 in ?? ()


(gdb) b main

Breakpoint 1 at 0x800006d4: file zephyr/samples/hello_world/src/main.c, line 12.


(gdb) c

Continuing.

Breakpoint 1, main ()
    at zephyr/samples/hello_world/src/main.c:12
12              printk("Hello World! %s
", CONFIG_BOARD);

ターゲット（QEMU）に接続し、mainにブレークを設定して、実行を継続しています。Hello worldのmain関数に到達していることがわかります。素晴らしいですね。printkは呼ばれているものの、文字が出ないことが問題だとわかりました。

Hello worldを拝むには、シリアルのドライバを追加する必要があります。続きはまた次回。

Zephyr OSで遊ぼう その5 - 独自のSoC定義（続き）

目次: Zephyr

今回はcmakeをパスするまで頑張ります。

エラー内容の調査

今後の方針のためcmakeのエラーを見ます。どうやらSOC_FAMILY_RISCV_PRIVILEGEがないとか、SOC_SERIES_RISCV_SPIKEとは何だ？とか、Kconfig周りの設定で怒っているようです。何も定義していないので当然ですね。

warning: UART_CONSOLE (defined at drivers/console/Kconfig:47) was assigned the value 'y' but got the
value 'n'. Check these unsatisfied dependencies: SERIAL_HAS_DRIVER (=n). See
http://docs.zephyrproject.org/latest/reference/kconfig/CONFIG_UART_CONSOLE.html and/or look up
UART_CONSOLE in the menuconfig/guiconfig interface. The Application Development Primer, Setting
Configuration Values, and Kconfig - Tips and Best Practices sections of the manual might be helpful
too.


warning: RISCV_MACHINE_TIMER (defined at drivers/timer/Kconfig:153) was assigned the value 'y' but
got the value 'n'. Check these unsatisfied dependencies: SOC_FAMILY_RISCV_PRIVILEGE (=n). See
http://docs.zephyrproject.org/latest/reference/kconfig/CONFIG_RISCV_MACHINE_TIMER.html and/or look
up RISCV_MACHINE_TIMER in the menuconfig/guiconfig interface. The Application Development Primer,
Setting Configuration Values, and Kconfig - Tips and Best Practices sections of the manual might be
helpful too.


warning: The choice symbol BOARD_HOGE (defined at boards/riscv/hoge/Kconfig.board:3) was selected
(set =y), but no symbol ended up as the choice selection. See
http://docs.zephyrproject.org/latest/reference/kconfig/CONFIG_BOARD_HOGE.html and/or look up
BOARD_HOGE in the menuconfig/guiconfig interface. The Application Development Primer, Setting
Configuration Values, and Kconfig - Tips and Best Practices sections of the manual might be helpful
too.


zephyr/boards/riscv/hoge/hoge_defconfig:4: warning: attempt to assign the value 'y' to the undefined symbol SOC_SERIES_RISCV_SPIKE

zephyr/boards/riscv/hoge/hoge_defconfig:5: warning: attempt to assign the value 'y' to the undefined symbol SOC_RISCV_SPIKE

error: Aborting due to Kconfig warnings

CMake Error at zephyr/cmake/kconfig.cmake:216 (message):
  command failed with return code: 1
Call Stack (most recent call first):
  zephyr/cmake/app/boilerplate.cmake:461 (include)
  CMakeLists.txt:5 (include)

すぐにKconfigを追加と行きたいところですが、その前に少しやることがあります。

ボードのdefconfigを見直す

Hogeボードのdefconfigで余計なもの（SiFive FE310 SoC用の設定）を定義しているので、削りましょう。SiFive由来のドライバの設定、前回のデバイスツリーで定義していないPINMUXやGPIOの設定を削ります。

diff --git a/boards/riscv/hoge/hoge_defconfig b/boards/riscv/hoge/hoge_defconfig
index 3f9626815f..32c4e9e90d 100644
--- a/boards/riscv/hoge/hoge_defconfig
+++ b/boards/riscv/hoge/hoge_defconfig
@@ -1,19 +1,12 @@
 # SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 
 CONFIG_RISCV=y
-CONFIG_SOC_SERIES_RISCV_SIFIVE_FREEDOM=y
-CONFIG_SOC_RISCV_SIFIVE_FREEDOM=y
+CONFIG_SOC_SERIES_RISCV_SPIKE=y
+CONFIG_SOC_RISCV_SPIKE=y
 CONFIG_BOARD_HOGE=y
 CONFIG_CONSOLE=y
 CONFIG_PRINTK=y
 CONFIG_SERIAL=y
-CONFIG_UART_SIFIVE=y
-CONFIG_UART_SIFIVE_PORT_0=y
 CONFIG_UART_CONSOLE=y
-CONFIG_PLIC=y
-CONFIG_PINMUX=y
-CONFIG_PINMUX_SIFIVE=y
 CONFIG_RISCV_MACHINE_TIMER=y
-CONFIG_GPIO=y
-CONFIG_GPIO_SIFIVE=y
 CONFIG_SYS_CLOCK_HW_CYCLES_PER_SEC=10000000

これで余計なコンフィグが原因で怒られることはないはずです。

SoC用のKconfigの追加

基本的にSoCのKconfigを追加する場合、zephyr/soc/アーキテクチャ名/SoC名/Kconfig.socを足せば良いですが、RISC-V Privileged系のSoCは少し様子が違い、Kconfigが2段構成になります。

# zephyr/soc/Kconfig

  source "$(SOC_DIR)/$(ARCH)/*/Kconfig.soc"


# zephyr/soc/riscv/riscv-privilege/Kconfig.soc

  source "soc/riscv/riscv-privilege/*/Kconfig.series"

ファイルを足すべき場所がわかりました。早速Kconfig.seriesを足します。内容は隣にあるSiFiveのディレクトリ（sifive-freedom）などを参考にします。

# RISCV_SPIKE SOC implementation

# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

config SOC_SERIES_RISCV_SPIKE
        bool "SPIKE series SOC implementation"
        depends on RISCV
        select SOC_FAMILY_RISCV_PRIVILEGE
        help
          Enable support for Spike series SOC

再度cmakeを実行するとSOC_SERIES_RISCV_SPIKEのエラーが消えるはずです。残りのSOC_RISCV_SPIKEはどこで定義すべきでしょうか？

RISC-V PrivilegedのKconfigは2つある

RISC-V Privilegedや他のディレクトリを見ると気づくと思いますが、SoCのKconfigには2つ系列があります。

riscv-privilege/Kconfig.soc -> riscv-privilege/spike/Kconfig.seriesのラインと、
riscv-privilege/Kconfig -> riscv-privilege/spike/Kconfig.socのラインです。先程、追加したのは前者です。名前が紛らわしいのはRISC-V Privileged系列の実装の良くないところですね……。

# zephyr/Kconfig

  source "Kconfig.zephyr"


# zephyr/Kconfig.zephyr

  source "$(SOC_DIR)/Kconfig"    # SOC_DIR = soc


# zephyr/soc/Kconfig

  choice
  	prompt "SoC/CPU/Configuration Selection"

  source "$(SOC_DIR)/$(ARCH)/*/Kconfig.soc"    # soc/riscv/riscv-privilege/Kconfig.soc

  endchoice

  menu "Hardware Configuration"
  osource "$(SOC_DIR)/$(ARCH)/Kconfig"
  osource "$(SOC_DIR)/$(ARCH)/*/Kconfig"    # soc/riscv/riscv-privilege/Kconfig


# zephyr/soc/riscv/riscv-privilege/Kconfig.soc

  source "soc/riscv/riscv-privilege/*/Kconfig.series"


# zephyr/soc/riscv/riscv-privilege/Kconfig

  config SOC_FAMILY_RISCV_PRIVILEGE    # riscv-privilege/spike/Kconfig.seriesのselectで有効にする
  config SOC_FAMILY
  config RISCV_HAS_PLIC

  ...

  source "soc/riscv/riscv-privilege/*/Kconfig.soc"

仕組みがわかったところで、後者のKconfig.socも追加しましょう。内容はやはりSiFiveのKconfigを参考にします。ありがとうSiFiveさん。

# RISCV_SPIKE SOC configuration options

# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

choice
        prompt "Spike series SOC implementation"
        depends on SOC_SERIES_RISCV_SPIKE

config SOC_RISCV_SPIKE
        bool "Spike SOC implementation"
        select ATOMIC_OPERATIONS_C

endchoice

SOC_SERIES_RISCV_SPIKEは、先程Kconfig.seriesにて定義しました。ATOMIC_OPERATIONS_Cはアトミック演算を行う関数を定義するためのコンフィグです。これを指定しないと、後ほどリンクする際にatomic_cas() がないと言われます。

//zephyr/include/sys/atomic.h

#ifdef CONFIG_ATOMIC_OPERATIONS_BUILTIN
static inline bool atomic_cas(atomic_t *target, atomic_val_t old_value,
                          atomic_val_t new_value)
{
        return __atomic_compare_exchange_n(target, &old_value, new_value,
                                           0, __ATOMIC_SEQ_CST,
                                           __ATOMIC_SEQ_CST);
}
#elif defined(CONFIG_ATOMIC_OPERATIONS_C)
__syscall int atomic_cas(atomic_t *target, atomic_val_t old_value,
                         atomic_val_t new_value);

#else
extern int atomic_cas(atomic_t *target, atomic_val_t old_value,
                      atomic_val_t new_value);
#endif

これでもまだcmakeに怒られます。linker.ldがどうのこうのと言っています。パスもなにやらおかしいです。

CMake Error at ../../CMakeLists.txt:372 (message):
  Could not find linker script:
  'zephyr/soc/riscv//linker.ld'.
  Corrupted configuration?

このlinker.ldを探しているのはcmakeです。下記の部分で探しています。

# zephyr/CMakeLists.txt

...

if(CONFIG_HAVE_CUSTOM_LINKER_SCRIPT)
  set(LINKER_SCRIPT ${APPLICATION_SOURCE_DIR}/${CONFIG_CUSTOM_LINKER_SCRIPT})
  if(NOT EXISTS ${LINKER_SCRIPT})
    set(LINKER_SCRIPT ${CONFIG_CUSTOM_LINKER_SCRIPT})
    assert_exists(CONFIG_CUSTOM_LINKER_SCRIPT)
  endif()
else()
  # Try a board specific linker file
  set(LINKER_SCRIPT ${BOARD_DIR}/linker.ld)    # ★★★これ、もしくは★★★
  if(NOT EXISTS ${LINKER_SCRIPT})
    # If not available, try an SoC specific linker file
    set(LINKER_SCRIPT ${SOC_DIR}/${ARCH}/${SOC_PATH}/linker.ld)    # ★★★これ★★★
  endif()
endif()

if(NOT EXISTS ${LINKER_SCRIPT})
  message(FATAL_ERROR "Could not find linker script: '${LINKER_SCRIPT}'. Corrupted configuration?")
endif()

デバッグメッセージ（message(SOC_PATH ${SOC_PATH}) を書き足すなど）を出して確認すると、SOC_PATHが空になっています。まだ何か足りないようですので、調べます。SOC_PATHを定義しているのは下記の部分です。

# zephyr/cmake/app/boilerplate.cmake

...

set(SOC_NAME   ${CONFIG_SOC})
set(SOC_SERIES ${CONFIG_SOC_SERIES})
set(SOC_FAMILY ${CONFIG_SOC_FAMILY})

if("${SOC_SERIES}" STREQUAL "")
  set(SOC_PATH ${SOC_NAME})
else()
  set(SOC_PATH ${SOC_FAMILY}/${SOC_SERIES})
endif()

CONFIG_SOCもしくはCONFIG_SOC_FAMILYとCONFIG_SOC_SERIESを定義する必要があるようです。探してみるとCONFIG_SOC_FAMILYはzephyr/soc/riscv/riscv-privilege/Kconfig で定義されています。

もう一方のCONFIG_SOC_SERIESはKconfig.defconfig.seriesというとても変な名前のKconfigファイルで定義するようです。

$ cd zephyr/soc/riscv/riscv-privilege
$ grep -r 'config SOC_SERIES'

miv/Kconfig.defconfig.series:config SOC_SERIES
miv/Kconfig.series:config SOC_SERIES_RISCV32_MIV
sifive-freedom/Kconfig.defconfig.series:config SOC_SERIES
sifive-freedom/Kconfig.series:config SOC_SERIES_RISCV_SIFIVE_FREEDOM

このKconfigはどこから参照されているのでしょうか？これも一応、調べておきましょう。

# zephyr/Kconfig

  source "Kconfig.zephyr"

# zephyr/Kconfig.zephyr

  source "$(SOC_DIR)/$(ARCH)/*/Kconfig.defconfig"    # SOC_DIR = soc, ARCH = riscv


# zephyr/soc/riscv/riscv-privilege/Kconfig.defconfig

  source "soc/riscv/riscv-privilege/*/Kconfig.defconfig.series"

Kconfig.defconfig.seriesも他のSoCに習って追加しましょう。SpikeにPLICは実装されていないので、RISCV_HAS_PLICはnにしています。またFlash ROMもないので、XIP（Execution In Place）を無効にしています。

# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

if SOC_SERIES_RISCV_SPIKE

config SOC_SERIES
        default "spike"

config RISCV_HAS_PLIC
        default n

config NUM_IRQS
        default 16

config XIP
        default n

endif #SOC_SERIES_RISCV_SPIKE

肝心のlinker.ldを追加することも忘れないようにします。これも他のSoCを見ればわかるはず。

/*
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */

/**
 * @brief Linker script for the Spike series processor
 */

#include <arch/riscv/common/linker.ld>

これでKconfig周りが整ったはずです。

最後の一手はCMakeList.txt

これでクリアかと思いきや、まだcmakeに怒られます。もう一手だけ必要です。

CMake Error at ../../soc/riscv/riscv-privilege/CMakeLists.txt:4 (add_subdirectory):
  The source directory

    /home/katsuhiro/share/projects/oss/zephyr/soc/riscv/riscv-privilege/spike

  does not contain a CMakeLists.txt file.


-- Configuring incomplete, errors occurred!

CMakeLists.txtがないと言っています。このファイルには何を書くのが正解なのか、私もイマイチ理解できないですが、他のSoCを見ると、下記の一行を書いておけば良さそうです。

# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

zephyr_sources()

ここまで変更するとcmakeのエラーが解消します。良く見ると何やらUART_CONSOLEがどうのこうのと文句を言っていますが、後ほど対応します。

$ cmake -G Ninja -DBOARD=hoge ../samples/hello_world/
-- Zephyr version: 2.1.99
-- Found PythonInterp: /usr/bin/python3 (found suitable version "3.7.6", minimum required is "3.6")
-- Selected BOARD hoge
-- Loading zephyr/boards/riscv/hoge/hoge.dts as base
hoge.dts.pre.tmp:22.17-25.5: Warning (simple_bus_reg): /soc/serial: missing or empty reg/ranges property
  also defined at hoge.dts.pre.tmp:37.8-39.3
Devicetree header saved to 'zephyr/build/zephyr/include/generated/devicetree_unfixed.h'
Parsing zephyr/Kconfig
Loaded configuration 'zephyr/boards/riscv/hoge/hoge_defconfig'
Merged configuration 'zephyr/samples/hello_world/prj.conf'
Configuration saved to 'zephyr/build/zephyr/.config'
Kconfig header saved to 'zephyr/build/zephyr/include/generated/autoconf.h'

warning: UART_CONSOLE (defined at drivers/console/Kconfig:47) was assigned the value 'y' but got the
value 'n'. Check these unsatisfied dependencies: SERIAL_HAS_DRIVER (=n). See
http://docs.zephyrproject.org/latest/reference/kconfig/CONFIG_UART_CONSOLE.html and/or look up
UART_CONSOLE in the menuconfig/guiconfig interface. The Application Development Primer, Setting
Configuration Values, and Kconfig - Tips and Best Practices sections of the manual might be helpful
too.

-- The C compiler identification is GNU 8.3.0
-- The CXX compiler identification is GNU 8.3.0
-- The ASM compiler identification is GNU
-- Found assembler: /home/katsuhiro/x-tools/riscv64-zephyr-elf/bin/riscv64-zephyr-elf-gcc
-- Cache files will be written to: /home/katsuhiro/.cache/zephyr
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: zephyr/build

この後はninjaのビルドエラーがたくさん出るので、1つずつ解消していくことになります。続きはまた次回です。

Zephyr OSで遊ぼう その4 - 独自のSoC定義

目次: Zephyr

Hogeボードの定義を一通り実装しました。HogeボードのSoCはqemu_riscv32と同じSiFive FE310にしたことを覚えているでしょうか？Zephyrの移植に興味のある方からすると「ボード名を変えただけで、qemu_riscv32のコピーでは？」と感じるはずです。そんな悲しみの声にお答えすべく、次はSoCの変更を行います。

今回、ターゲットとするSoCはQEMUのSpikeモードです。このモードは、特別なハードウェアが必要なく手軽、偶然にも現状のZephyrが対応していない、簡単なドライバの実装が1つだけ必要、など学習にピッタリです。

Spikeはシミュレータのみで、物理的に存在するSoCではありません。ですが名前がないと説明しづらいので、以降の説明ではSpike SoCと呼びます。

RISC-V SoCディレクトリの構造とSpike SoCの定義場所

将来複雑になるかもしれませんが、今は簡単な構造です。zephyr/soc/riscvの下にSoCが定義されており、litex-vexriscv（LiteX VexRiscv）, openisa_rv32m1（OpenISA RV32M1）, riscv-privilege（RISC-V Priviledged Architecture対応SoC）の3つのディレクトリが存在しています。このうちriscv-privilegeは、さらに内部にいくつかのSoCの定義を抱えています。

SpikeはRISC-V Priviledgedに対応しているので、今回はriscv-privilegeシリーズの1つとして、新たなSoCを定義すると良さそうです。

ボードの定義を改造

Hogeボードの定義を見直してみると、Kconfig.boardに "depends on SOC_RISCV_SIFIVE_FREEDOM" の記述があり、hoge.dtsに #include <riscv32-fe310.dtsi> の記述があります。とりあえずこれを下記のように変更します。

diff --git a/boards/riscv/hoge/Kconfig.board b/boards/riscv/hoge/Kconfig.board
index 7ece0d6dee..c90614a391 100644
--- a/boards/riscv/hoge/Kconfig.board
+++ b/boards/riscv/hoge/Kconfig.board
@@ -2,4 +2,4 @@

 config BOARD_HOGE
        bool "Hoge target"
-       depends on SOC_RISCV_SIFIVE_FREEDOM
+       depends on SOC_RISCV_SPIKE


diff --git a/boards/riscv/hoge/hoge.dts b/boards/riscv/hoge/hoge.dts
index 21678f49ea..ee0c6589c4 100644
--- a/boards/riscv/hoge/hoge.dts
+++ b/boards/riscv/hoge/hoge.dts
@@ -2,7 +2,7 @@

 /dts-v1/;

-#include <riscv32-fe310.dtsi>
+#include <riscv32-spike.dtsi>

 / {
        model = "Hoge";

この状態でcmakeをやり直します。念のためbuildディレクトリのファイルを全て削除してから、実行したほうが良いでしょう。

$ cmake -G Ninja -DBOARD=hoge ../samples/hello_world/

-- Zephyr version: 2.1.99
-- Found PythonInterp: /usr/bin/python3 (found suitable version "3.7.6", minimum required is "3.6")
-- Selected BOARD hoge
-- Loading zephyr/boards/riscv/hoge/hoge.dts as base
In file included from <command-line>:
zephyr/boards/riscv/hoge/hoge.dts:5:10: fatal error: riscv32-spike.dtsi: No such file or directory
 #include <riscv32-spike.dtsi>
          ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
compilation terminated.
CMake Error at zephyr/cmake/dts.cmake:140 (message):
  command failed with return code: 1
Call Stack (most recent call first):
  zephyr/cmake/app/boilerplate.cmake:460 (include)
  CMakeLists.txt:5 (include)


-- Configuring incomplete, errors occurred!

エラーをみるにriscv32-spike.dtsiがないと言って怒られているようですから、追加しましょう。

SoCのデバイスツリー

Zephyrのデバイスツリーはzephyr/dts以下にあります。今回はRISC-V一派のSoCを追加しますから、zephyr/dts/riscvの下にriscv32-spike.dtsiを作りましょう。

/* SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 */

/ {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
        compatible = "spike-dev";
        model = "spike";
        soc {
                #address-cells = <1>;
                #size-cells = <1>;
                compatible = "spike-soc", "simple-bus";
                ranges;

                clint: clint@2000000 {
                        compatible = "riscv,clint0";
                        reg = <0x02000000 0x10000>;
                        reg-names = "control";
                };

                mem: mem@80000000 {
                        compatible = "spike,mem";
                        reg = <0x80000000 0x4000>;
                        reg-names = "mem";
                };

                uart0: serial {
                        compatible = "spike,uart-spike";
                        label = "uart_0";
                };
        };
};

最低限のデバイスだけ定義しています。

clint

割り込みコントローラ（Core Local Interruptor）です。タイマーのレジスタ（mtime, mtimecmp）を持っているコアです。

mem

SRAM領域です。QEMUは数百MBくらいメモリ領域があった気がしますが、そんなに要らないので16KBにしています。

uart0

シリアルデバイスです。実はこの名前は適切ではありません。Spikeは特殊なゲスト、ホスト間の通信により文字出力を実現していて、UARTハードウェアを模している訳ではないからです。レジスタ領域の定義が不要なのも、ハードウェアアクセスではないからです。

このファイルを加えてもまだcmakeに怒られます。Spike SoC用のデバイスツリーに出てこないノード（gpio, spiなど）を参照している箇所があるためです。ボード側の定義からばっさり削除します。

hoge.dtsのさらなる変更

diff --git a/boards/riscv/hoge/hoge.dts b/boards/riscv/hoge/hoge.dts
index 21678f49ea..e572d5a769 100644
--- a/boards/riscv/hoge/hoge.dts
+++ b/boards/riscv/hoge/hoge.dts
@@ -11,34 +11,10 @@
        chosen {
                zephyr,console = &uart0;
                zephyr,shell-uart = &uart0;
-               zephyr,sram = &dtim;
-               zephyr,flash = &flash0;
+               zephyr,sram = &mem;
        };
 };
 
-&gpio0 {
-       status = "okay";
-};
-
 &uart0 {
        status = "okay";
-       current-speed = <115200>;
-       clock-frequency = <16000000>;
-};
-
-&spi0 {
-       status = "okay";
-
-       #address-cells = <1>;
-       #size-cells = <0>;
-       reg = <0x10014000 0x1000 0x20400000 0xc00000>;
-       flash0: flash@0 {
-               compatible = "issi,is25lp128", "jedec,spi-nor";
-               size = <134217728>;
-               label = "FLASH0";
-               jedec-id = [96 60 18];
-               reg = <0>;
-               // Dummy entry
-               spi-max-frequency = <0>;
-       };
 };

これでもまだcmakeは通過できません。長くなってきましたので、続きはまた今度。

Zephyr OSで遊ぼう その3 - ボードのデフォルトコンフィグ

目次: Zephyr

前回はデフォルトコンフィグがx86になっていたり、ドライバを有効にしないとリンクエラーになったり、おかしなことが起きていました。対策として手動でコンフィグを変えまくりましたが、本来は必要ありません。Zephyrのボード定義では、ボードごとにデフォルトコンフィグを持つことができるからです。

他のボード（zephyr/boards/riscv/qemu_riscv32/qemu_riscv32_defconfigなど）を見ると、ボード名_defconfigというファイルの中にCONFIG_ABCD=yという文がたくさんあります。このファイルに追加すると反映されそうです。
（2/19訂正: CONFIG_SYS_CLOCK_TICKS_PER_SEC=100を追加しないとタイマー割り込みが入りすぎて動かなくなるため、修正しました）

# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

CONFIG_RISCV=y
CONFIG_SOC_SERIES_RISCV_SIFIVE_FREEDOM=y
CONFIG_SOC_RISCV_SIFIVE_FREEDOM=y
CONFIG_BOARD_HOGE=y
CONFIG_CONSOLE=y
CONFIG_PRINTK=y
CONFIG_SERIAL=y
CONFIG_UART_SIFIVE=y
CONFIG_UART_SIFIVE_PORT_0=y
CONFIG_UART_CONSOLE=y
CONFIG_PLIC=y
CONFIG_PINMUX=y
CONFIG_PINMUX_SIFIVE=y
CONFIG_RISCV_MACHINE_TIMER=y
CONFIG_GPIO=y
CONFIG_GPIO_SIFIVE=y
CONFIG_SYS_CLOCK_TICKS_PER_SEC=100
CONFIG_SYS_CLOCK_HW_CYCLES_PER_SEC=10000000

CONFIG_BOARD_HOGEを除けば、ほぼqemu_riscv32_defconfigと同じです。

$ cd build
$ rm -r *

$ cmake -G Ninja -DBOARD=hoge ../samples/hello_world/

-- Zephyr version: 2.1.99
-- Found PythonInterp: /usr/bin/python3 (found suitable version "3.7.6", minimum required is "3.6")
-- Selected BOARD hoge
-- Loading zephyr/boards/riscv/hoge/hoge.dts as base
Devicetree header saved to 'zephyr/build/zephyr/include/generated/devicetree_unfixed.h'
Parsing zephyr/Kconfig
Loaded configuration 'zephyr/boards/riscv/hoge/hoge_defconfig'
Merged configuration 'zephyr/samples/hello_world/prj.conf'
Configuration saved to 'zephyr/build/zephyr/.config'
Kconfig header saved to 'zephyr/build/zephyr/include/generated/autoconf.h'
-- The C compiler identification is GNU 8.3.0
-- The CXX compiler identification is GNU 8.3.0
-- The ASM compiler identification is GNU
-- Found assembler: /home/katsuhiro/x-tools/riscv64-zephyr-elf/bin/riscv64-zephyr-elf-gcc
-- Cache files will be written to: /home/katsuhiro/.cache/zephyr
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: zephyr/build


$ ninja

[0/1] Re-running CMake...
-- Zephyr version: 2.1.99
-- Selected BOARD hoge
-- Loading zephyr/boards/riscv/hoge/hoge.dts as base
Devicetree header saved to 'zephyr/build/zephyr/include/generated/devicetree_unfixed.h'
Parsing zephyr/Kconfig
Loaded configuration 'zephyr/build/zephyr/.config'
No change to configuration in 'zephyr/build/zephyr/.config'
No change to Kconfig header in 'zephyr/build/zephyr/include/generated/autoconf.h'
-- Cache files will be written to: /home/katsuhiro/.cache/zephyr
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: zephyr/build
[97/102] Linking C executable zephyr/zephyr_prebuilt.elf
Memory region         Used Size  Region Size  %age Used
             ROM:       12761 B        12 MB      0.10%
             RAM:        4048 B        16 KB     24.71%
        IDT_LIST:         553 B         2 KB     27.00%
[102/102] Linking C executable zephyr/zephyr.elf

この状態でcmakeから実行すると、ビルド時に文句を言われなくなります。buildディレクトリには、以前cmakeを実行したときの設定ファイルが残っていますので、一度全て削除してから再度cmakeを実行した方が良いでしょう。特に -DBOARDを変更するときは削除したほうが良いです（cmakeにも同様の内容を注意されるはず）。

次回以降は、独自のSoCの追加に挑もうと思います。

補足: デバイスツリーとDT_INST_ マクロの関係

前回は説明を省きましたが、デバイスツリーからDT_INST_ なんとかマクロへの変換ルールは下記にあります。

# zephyr/cmake/dts.cmake

...

  #
  # Run gen_defines.py to create a .conf file and a header file
  #

  set(CMD_NEW_EXTRACT ${PYTHON_EXECUTABLE} ${ZEPHYR_BASE}/scripts/dts/gen_defines.py
  --dts ${BOARD}.dts.pre.tmp
  --bindings-dirs ${DTS_ROOT_BINDINGS}
  --conf-out ${DEVICETREE_CONF}
  --header-out ${DEVICETREE_UNFIXED_H}
  --dts-out ${PROJECT_BINARY_DIR}/zephyr.dts # As a debugging aid
  )

...


# zephyr/scripts/dts/gen_defines.py

def main():
    global conf_file
    global header_file
    global flash_area_num

    ...

    for node in sorted(edt.nodes, key=lambda node: node.dep_ordinal):
        write_node_comment(node)

        # Flash partition nodes are handled as a special case. It
        # would be nicer if we had bindings that would let us
        # avoid that, but this will do for now.
        if node.name.startswith("partition@"):
            write_flash_partition(node, flash_area_num)
            flash_area_num += 1

        if node.enabled and node.matching_compat:
            write_regs(node)
            write_irqs(node)
            write_props(node)
            write_clocks(node)
            write_spi_dev(node)
            write_bus(node)
            write_existence_flags(node)

    ...

def write_existence_flags(node):
    # Generate #defines of the form
    #
    #   #define DT_INST_<instance no.>_<compatible string> 1
    #
    # for enabled nodes. These are flags for which devices exist.

    for compat in node.compats:
        instance_no = node.edt.compat2enabled[compat].index(node)
        out(f"INST_{instance_no}_{str2ident(compat)}", 1)

...

def str2ident(s):
    # Converts 's' to a form suitable for (part of) an identifier

    return s.replace("-", "_") \
            .replace(",", "_") \
            .replace("@", "_") \
            .replace("/", "_") \
            .replace(".", "_") \
            .replace("+", "PLUS") \
            .upper()

基本的にノードのcompatibleがそのまま使われますが、C言語のマクロ名として使用できない文字はアンダースコアに置換されます。compatibleは小文字で書くことが多いですが、マクロ名は大文字に変換しています。