rp2040_1.html (35729B)
1 +++ 2 date = '2023-04-25T00:00:00+09:00' 3 draft = false 4 title = 'RP2040 SDKなしでLチカ' 5 +++ 6 <time>2023-04-25</time>: 作成<br /> 7 <time>2024-02-25</time>: ベクターテーブルの修正 8 9 <h2>はじめに</h2> 10 <p> 11 パタヘネのRISC-V<sup>[1]</sup>版を買って一通り読んだらアセンブリ言語で組込のプログラミングがしたくなった。RISC-Vのマイコンボードが欲しかったのだが、安くていい感じのものが見付からなかった。代わりに秋月電子通商でArmのものがあった。RP2040マイコンボードキット<sup>[2]</sup>というものである。ウェブ上の情報も多く、データシート<sup>[3]</sup>もしっかりしていそうなので、とりあえずこれを買ってみた。</p> 12 <p> 13 一般的にはSDK<sup>[4]</sup>をダウンロードしてあらかじめ用意されたライブラリを使って開発するようだが、これはビルドシステムとしてcmakeというのを使っている。これがOpenBSDでは何かエラーがでて動かなかった。僕はこういう便利ツールが嫌いだ。どうせ使わんからいいんやけど。関係ないけど途中から開発環境がLinuxに替わった。SDKには便利な関数がたくさん用意されているので楽である。ハードウェアの面倒な部分がプログラマから見えないようにしているからである。しかし今回はその面倒な部分に触れてみたくて買ったので、SDKを使うと意味がない。</p> 14 <p> 15 ということでSDKなしで開発してみる。とりあえず定番のLチカをば。</p> 16 <p> 17 ソースコード: <a href="https://git.mtkn.jp/rp2040">git</a> 18 </p> 19 20 <h2>動作環境</h2> 21 <ul> 22 <li>Arch Linux 6.2.12-arch1-1 23 <ul> 24 <li>arm-none-eabi-binutils 2.40-1</li> 25 <li>GNU Make 4.4.1</li> 26 </ul> 27 </li> 28 <li>OpenBSD 7.3 29 <ul> 30 <li>arm-none-eabi-binutils 2.31.1</li> 31 <li>make (バージョン?)</li> 32 </ul> 33 ※<code>make flash</code>は動かん。<code>dmesg</code>でデバイス確認して手動でマウントする必要がある。 34 </li> 35 </ul> 36 37 <h2>Boot Process</h2> 38 <p> 39 RP2040は電源を入れるといくつかの段階(ここでは関係ないので省略。データシート「2.8.1 Processor Controlled Boot Sequence」に詳しく書いてある)を踏んだあと、外部のフラッシュROMの先頭から256バイトを内部のSRAMにコピーして、フラッシュにプログラムが書き込まれているかどうか確認する。RP2040はフラッシュの先頭252バイトから計算したCRC32チェックサムを、直後の253バイト目から256バイトに記録することになっている。起動時にこのチェックサムを確認することで、フラッシュにプログラムが書き込まれているかどうか確かめている。コピーした最後の4バイトと起動時に最初の252バイトから計算したチェックサムが一致していれば、そのままコピーしてきた256バイトの先頭にPCをセットして実行を開始する。一致しなければUSBデバイスモードに切り替わり、パソコンに接続するとストレージとして認識される。このストレージにUF2という形式に変換したプログラムをコピーするとプログラムがフラッシュROMやSRAMに書き込まれる。 40 </p> 41 <p> 42 以上のことから、プログラムを実行するためにはCRC32を計算し、UF2という形式に変換することが必要である。ソースコードからの流れは以下の通り: 43 </p> 44 <pre>source bin bin with 45 code ----------> object ------> elf --------> bin -------> with --------> crc32 in 46 crc32 uf2 format 47 assemble link objcopy bincrc bin2uf2 48 </pre> 49 50 <h2>CRC(巡回冗長検査)</h2> 51 <p> 52 入力のデータをごにょごにょしてある値を出力する。</p> 53 <blockquote cite="https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A1%E5%9B%9E%E5%86%97%E9%95%B7%E6%A4%9C%E6%9F%BB"> 54 <p> 55 データ転送等に伴う偶発的な誤りの検査によく使われている<sup>[5]</sup>。 56 </p> 57 </blockquote> 58 <p> 59 らしい。 60 </p> 61 <p> 62 入力のビットを一列に並べて、除数で「割り算」していく。この「割り算」が多項式の除算に似ているので、この除数をCRC多項式というらしい。ただし多項式の除算と違い、引き算するところをXORする。CRC32の場合、除数は33ビットである。33ビットで割ると32ビットの余りが残る。この余りがCRC32のチェックサムである。除数は色々あるようだが、標準的なものがWikipedia<sup>[5]</sup>に列挙されている。除数<code>1011</code>を使ったCRC3の計算の手順は以下の通り: 63 </p> 64 <pre><code>1110101011011100110101101101111 入力(適当) 65 1011 除数(4ビット) 66 ------------------------------- 67 101101011011100110101101101111 結果(入力と除数のXOR) 68 1011 69 ------------------------------ 70 00001011011100110101101101111 71 1011 72 ------------------------- 73 000011100110101101101111 74 1011 75 -------------------- 76 1010110101101101111 77 1011 78 ------------------- 79 001110101101101111 80 1011 81 ---------------- 82 101101101101111 83 1011 84 --------------- 85 00001101101111 86 1011 87 ---------- 88 110101111 89 1011 90 --------- 91 11001111 92 1011 93 -------- 94 1111111 95 1011 96 ------- 97 100111 98 1011 99 ------ 100 01011 101 1011 102 ---- 103 000 CRC3チェックサム 104 </code></pre> 105 <p> 106 普通の割り算と基本は同じであるが、引き算の部分だけXORになっている。</p> 107 <p> 108 以上の計算をプログラムの先頭252バイトに対して、33ビットの除数を用いて行う。データの並べ方は、上の例において左側を先頭に、フラッシュROM上の0番地から、各バイトは最上位ビットから順に並べる。入力のデータは253バイト目から256バイト目に<code>0</code>をひっつけて計算する。これは多分予め長さが分からないデータでも計算できるようにしたかったからかな。除数は<code>0x104c11db7</code>である(最上位ビットは常に1なのでデータシートでは省略されている)。</p> 109 <p> 110 入力データは1バイトづつ処理したいみたいである。多分通信等で使う都合である。この時XORは結合則が成り立つので1バイト処理した結果と次のバイトとをXORして次の処理の入力として利用することができる: 111 </p> 112 <pre><code>111000111000000110000110111000111000001010010011111000111000000110010011 入力(適当) 113 |......| 114 111000110000000000000000000000000 先頭1バイト 115 100000100110000010001110110110111 除数 116 ------------------------------------------------------------------------ 117 011000010110000010001110110110111 118 100000100110000010001110110110111 119 ----------------------------------------------------------------------- 120 010000001010000110010011011011001 121 100000100110000010001110110110111 122 ---------------------------------------------------------------------- 123 000000110010001110101000000000101 124 |......| 125 110010001110101000000000101000000 1バイト目の結果 126 |......| 127 10000001 入力の2バイト目 128 ---------------------------------------------------------------- 129 010010011110101000000000101000000 1バイト目の結果と2バイト目のXOR 130 100000100110000010001110110110111 除数 131 ---------------------------------------------------------------- 132 000100011011010010001111100110111 133 . 134 . 135 . 136 </code></pre> 137 <p> 138 以上の操作は以下のようなアルゴリズムのループで実装できる。</p> 139 <ul> 140 <li>前回の結果と、入力データの次のバイトをXOR</li> 141 <li> 142 <ul> 143 <li>先頭の1ビットが1の場合、除数とXORを取り左シフト</li> 144 <li>先頭の1ビットが0の場合、そのまま左シフト</li> 145 </ul> 146 </li> 147 </ul> 148 <p> 149 これを<code>for</code>ループで回す都合上、最初のバイトもXORを取る。上の例では最初は<code>0x0</code>とXORを取っているが、この値を<code>0x0</code>以外にすることもできる。そうした方がいろいろいいこともあるらしい。RP2040では<code>0xffffffff</code>を使う。更にこの工程を32ビットの<code>int</code>だけで行うことを考える: 150 </p> 151 <pre><code>111000111000000110000110111000111000001010010011111000111000000110010011 入力(適当) 152 153 11111111111111111111111111111111 0xffffffff 154 11100011000000000000000000000000 先頭1バイトを24ビットシフト 155 -------------------------------- XOR 156 00011100111111111111111111111111 157 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 158 -------------------------------- シフト 159 00111001111111111111111111111110 160 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 161 -------------------------------- シフト 162 01110011111111111111111111111100 163 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 164 -------------------------------- シフト 165 11100111111111111111111111111000 166 先頭1ビットが1なので1ビットシフトした後、除数の下位32ビットとXOR: 167 11001111111111111111111111110000 シフト 168 00000100110000010001110110110111 除数の下位32ビット 169 -------------------------------- XOR 170 11001011001111101110001001000111 171 先頭1ビットが1なので1ビットシフトした後、除数の下位32ビットとXOR: 172 10010110011111011100010010001110 シフト 173 00000100110000010001110110110111 除数の下位32ビット 174 -------------------------------- XOR 175 10010010101111001101100100111001 176 先頭1ビットが1なので1ビットシフトした後、除数の下位32ビットとXOR: 177 00100101011110011011001001110010 シフト 178 00000100110000010001110110110111 除数の下位32ビット 179 -------------------------------- XOR 180 00100001101110001010111111000101 181 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 182 -------------------------------- シフト 183 01000011011100010101111110001010 184 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 185 -------------------------------- シフト 186 10000110111000101011111100010100 1バイト目の結果 187 188 10000001 入力の2バイト目 189 -------------------------------- XOR 190 00000111111000101011111100010100 191 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 192 -------------------------------- シフト 193 00001111110001010111111000101000 194 . 195 . 196 . 197 </code></pre> 198 <p> 199 これを実装したのが以下のコード:</p> 200 <pre><code>uint32_t 201 crc32(uint8_t *idata, size_t len) 202 { 203 uint32_t pol = 0x04C11DB7; 204 uint32_t c = 0xFFFFFFFF; 205 uint32_t b; 206 207 for (int i = 0; i < len; i++) { 208 b = idata[i] << 24; 209 c ^= b; 210 for (int j = 0; j < 8; j++) { 211 c = c >> 31 & 1 ? c << 1 ^ pol : c << 1; 212 } 213 } 214 215 return c; 216 } 217 </code></pre> 218 <p> 219 <code>main()</code>関数では上の<code>crc32()</code>に、<code>idata</code>として入力となるバイナリデータの先頭を、<code>len</code>として<code>252</code>を渡してCRC32を計算させる。その後、出力先のファイルに入力元のデータをコピーしていき、253バイト目から256バイト目だけ、計算したCRC32に置き換える。入力元のこの場所にデータが書き込まれていないかどうかは確かめていない。 220 </p> 221 222 <h2>UF2(USB Flashing Format)</h2> 223 <p> 224 Microsoftが開発したフラッシュ書き込み用のファイル形式らしい: 225 <blockquote cite="https://github.com/microsoft/uf2"> 226 <p> 227 UF2 is a file format, developed by Microsoft for PXT (also known as 228 Microsoft MakeCode), that is particularly suitable for flashing microcontrollers 229 over MSC (Mass Storage Class; aka removable flash drive)<sup>[6]</sup>. 230 </p> 231 </blockquote> 232 <p> 233 このファイルに変換する上で必要な情報はGitHubのmicrosoft/uf2<sup>[6]</sup>に表として纏められている: 234 <blockquote cite="https://github.com/microsoft/uf2"> 235 <table> 236 <thead><tr> 237 <th>Offset</th><th>Size</th><th>Value</th> 238 </tr></thead> 239 <tbody> 240 <tr> 241 <td>0</td> 242 <td>4</td> 243 <td>First magic number, <code>0x0A324655</code> (<code>"UF2\n"</code>)</td> 244 </tr> 245 <tr> 246 <td>4</td> 247 <td>4</td> 248 <td>Second magic number, <code>0x9E5D5157</code></td> 249 </tr> 250 <tr> 251 <td>8</td> 252 <td>4</td> 253 <td>Flags</td> 254 </tr> 255 <tr> 256 <td>12</td> 257 <td>4</td> 258 <td>Address in flash where the data should be written</td> 259 </tr> 260 <tr> 261 <td>16</td> 262 <td>4</td> 263 <td>Number of bytes used in data (often 256)</td> 264 </tr> 265 <tr> 266 <td>20</td> 267 <td>4</td> 268 <td>Sequential block number; starts at 0</td> 269 </tr> 270 <tr> 271 <td>24</td> 272 <td>4</td> 273 <td>Total number of blocks in file</td> 274 </tr> 275 <tr> 276 <td>28</td> 277 <td>4</td> 278 <td>File size or board family ID or zero</td> 279 </tr> 280 <tr> 281 <td>32</td> 282 <td>476</td> 283 <td>Data, padded with zeros</td> 284 </tr> 285 <tr> 286 <td>508</td> 287 <td>4</td> 288 <td>Final magic number, <code>0x0AB16F30</code></td> 289 </tr> 290 </tbody> 291 </table> 292 </blockquote> 293 294 <p> 295 RP2040のデータシート<sup>[3]</sup>「2.8.4.2 UF2 Format Details」を見ると、8バイト目のFlagsは、28バイト目にファミリーIDが書き込まれていることを示す<code>0x00002000</code>、12バイト目は、書き込みを行うフラッシュROMの先頭アドレスである<code>0x10000000</code>に、各ブロックの先頭からの位置を足したもの、16バイト目の、各ブロックのデータサイズは256バイト、28バイト目のファミリーIDは<code>0xe48bff56</code>である。あとは表の通り3つのマジックナンバーをセットし、32バイト目以降にデータを書き込み、20バイト目と24バイト目にブロックの通し番号と総数をそれぞれ書き込めばいい。ブロックの通し番号はデータのついでに書き込めるが、総数はデータを全部さばいた後でないと分からないので、最後全てのブロックにまとめて書き込むようにした。できたのが以下のコード: 296 </p> 297 <pre><code>#include <stdio.h> 298 #include <stdint.h> 299 #include <stdlib.h> 300 #include <string.h> 301 302 303 size_t 304 fwrite32l(uint32_t d, FILE *f) 305 { 306 int i; 307 uint8_t b; 308 for (i = 0; i < 32; i += 8) { 309 b = (uint8_t) (d >> i & 0xff); 310 fwrite(&b, 1, 1, f); 311 if (ferror(f)) { 312 fprintf(stderr, "Fwrite32l: write error.\n"); 313 return 0; 314 } 315 } 316 return 4; 317 } 318 319 int 320 main(int argc, char *argv[]) 321 { 322 FILE *src = NULL, *dst = NULL; 323 size_t sdata = 476; 324 int retnum = 0; 325 326 uint32_t mag1 = 0x0A324655; 327 uint32_t mag2 = 0x9E5D5157; 328 uint32_t flags = 0x00002000; // familyID present 329 uint32_t addr = 0x10000000; 330 uint32_t nbyte = 256; 331 uint32_t blk = 0; 332 uint32_t nblk = 0; 333 uint32_t famid = 0xe48bff56; 334 uint8_t data[sdata]; 335 uint32_t mag3 = 0x0AB16F30; 336 337 memset(data, 0, sdata); 338 339 if (argc != 3) { 340 fprintf(stderr, "Usage: %s src dst\n", argv[0]); 341 exit(1); 342 } 343 344 if ((src = fopen(argv[1], "rb")) == NULL) { 345 fprintf(stderr, "Could not open %s.\n", argv[1]); 346 retnum = 1; 347 goto defer; 348 } 349 if ((dst = fopen(argv[2], "wb")) == NULL) { 350 fprintf(stderr, "Could not open %s.\n", argv[2]); 351 retnum = 1; 352 goto defer; 353 } 354 355 while (!feof(src)) { 356 fwrite32l(mag1, dst); 357 fwrite32l(mag2, dst); 358 fwrite32l(flags, dst); 359 fwrite32l(addr, dst); 360 fwrite32l(nbyte, dst); 361 fwrite32l(blk, dst); 362 fwrite32l(nblk, dst); // dummy 363 fwrite32l(famid, dst); 364 365 fread(data, 1, nbyte, src); 366 if (ferror(src)) { 367 fprintf(stderr, "Read error: %s.\n", argv[1]); 368 retnum = 1; 369 goto defer; 370 } 371 fwrite(data, 1, sdata, dst); 372 if (ferror(src)) { 373 fprintf(stderr, "Write error: %s.\n", argv[2]); 374 retnum = 1; 375 goto defer; 376 } 377 378 fwrite32l(mag3, dst); 379 380 addr += nbyte; 381 blk++; 382 nblk++; 383 } 384 385 for (int i = 0; i < nblk; i++) { 386 if (i == 0) 387 if (fseek(dst, 24, SEEK_SET) < 0) { 388 fprintf(stderr, "Seek error: %s.\n argv[2]"); 389 retnum = 1; 390 goto defer; 391 } 392 fwrite32l(nblk, dst); 393 if (i < nblk - 1) 394 if(fseek(dst, 512 - 4, SEEK_CUR) < 0){ 395 fprintf(stderr, "Seek error: %s.\n argv[2]"); 396 retnum = 1; 397 goto defer; 398 } 399 } 400 401 defer: 402 if (src) 403 fclose(src); 404 if (dst) 405 fclose(dst); 406 return retnum; 407 } 408 </code></pre> 409 <p><code>fwrite32l()</code>関数は指定されたファイルに32ビットの整数を下位バイトから順に書き込む関数である。バイトオーダーとかややこしそうなので作っておいたけど必要なのかな？あと名前が気に入らない。</p> 410 <p> 411 CRC32のチェックサムが書き込まれたバイナリファイルを、このプログラムでUF2に変換し、生成されたファイルをUSBストレージとして接続したRP2040にコピーすればフラッシュROMに書き込まれる。 412 </p> 413 414 <h2>Flash Second Stage</h2> 415 <p> 416 RP2040に電源を投入し、CRC32のチェックが通った後、フラッシュROMからコピーされたプログラムの先頭から実行が開始される。このコピーされた部分で、その後の動作に必要な各種の設定を行うことになる。RP2040のデータシートには、フラッシュROMとSSIコントローラのXIPを設定するようにと書かれている。XIPはExecute in Placeの略で、フラッシュROMの内容をCPUから直接実行するものである。SSIはSynchronous Serial Interfaceの略で、周辺機器と情報のやりとりをする通信方式である。RP2040はチップに内蔵されたこのSSIコントローラを通して、外部のフラッシュROMと通信しているのだが、このコントローラを適切に設定すればフラッシュROMの内容がCPUから直接アクセスできる<code>0x10000000</code>番地以降にマップされる。これによりフラッシュROMから内部のSRAMにデータをコピーすることなく命令を実行できるので、速くて便利だという。 417 </p> 418 <p> 419 しかしこのSSIコントローラはSynopsysという会社のDW_apb_ssiというIPを使っているようで、データシートのSSIコントローラの章は多分Synopsysの人が書いている。その他の章はRaspberry Pi財団の書いたブリティッシュイングリッシュだが、この部分だけ多分ネイティブじゃない人の書いたいい加減な英語である。誤植も多い。何日かかけて理解しようとしたがよく分からん。不毛なので一旦諦めた。</p> 420 <p> 421 RP2040には内部にもROMがあり、はバージョン情報や電源を投入した時の動作、その他便利な関数が書き込まれている。この関数の中に外部のフラッシュROMとSSIコントローラを設定するものも含まれているので、今回はこれを利用した。ただしこの方法だとフラッシュROMとの通信方式がStandard SPIのままなので少し遅いらしい。詳しくはデータシートの「2.3.8. Bootrom Contents」を参照。 422 </p> 423 <p> 424 RP2040の内蔵ROMの<code>0x00000018</code>番地に関数を検索するための関数がある。この関数に<code>0x00000014</code>番地の<code>rom_func_table</code>と、各関数に割り当てられた二文字の文字列を渡せば、欲しい関数へのポインタが返ってくる。なお、二文字の文字列はそれぞれASCIIコードで現し、二文字目を8ビットシフトしたものと1文字目のORを取ったものを渡すことになっている。今回欲しい関数はフラッシュROMをXIPに設定するもの(<code>_flash_enter_cmd_xip()</code>)なので、<code>'C', 'X'</code>を渡す。関数のポインタが返ってきて、それを呼び出せばフラッシュROMとSSIはXIPモードになる: 425 </p> 426 <pre><code>setup_xip: 427 ldr r3, rom_base 428 429 ldrh r0, [r3, #0x14] // rom_func_table 430 ldr r1, =('C' | 'X' << 8) // _flash_enter_cmd_xip() 431 ldrh r2, [r3, #0x18] // rom_table_lookup 432 blx r2 433 blx r0 434 /* ... */ 435 rom_base: 436 .word 0x00000000 437 </code></pre> 438 439 <p> 440 XIPの設定が完了すれば、次はメインのプログラムを実行するための準備である。エントリーポイントの指定、スタックポインタの初期値の設定、ベクターテーブルの設定である。Armのマニュアル<sup>[7]</sup>によると、初期スタックポインタとエントリーポイントはベクターテーブルの<code>0x0</code>バイト目と<code>0x4</code>バイト目に書くことになっている:</p> 441 <blockquote cite="https://developer.arm.com/documentation/ddi0419/c/System-Level-Architecture/System-Level-Programmers--Model/ARMv6-M-exception-model/Exception-number-definition"> 442 <table> 443 <caption> 444 Table 7.3. Exception numbers 445 </caption><colgroup><col><col></colgroup><thead><tr><th>Exception number</th><th>Exception</th></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>Reset</td></tr><tr><td>2</td><td>NMI</td></tr><tr><td>3</td><td>HardFault</td></tr><tr><td>4-10</td><td>Reserved</td></tr><tr><td>11</td><td>SVCall</td></tr><tr><td>12-13</td><td>Reserved</td></tr><tr><td>14</td><td>PendSV</td></tr><tr><td>15</td><td>SysTick, optional</td></tr><tr><td>16</td><td>External Interrupt(0)</td></tr><tr><td>...</td><td>...</td></tr><tr><td>16 + N</td><td>External Interrupt(N)</td></tr></tbody> 446 </table> 447 </blockquote> 448 449 <blockquote cite="https://developer.arm.com/documentation/ddi0419/c/System-Level-Architecture/System-Level-Programmers--Model/ARMv6-M-exception-model/The-vector-table"> 450 <table> 451 <caption> 452 Table 7.4. Vector table format 453 </caption><colgroup><col><col></colgroup><thead><tr><th>Word offset in table</th><th>Description, for all pointer address values</th></tr></thead><tbody><tr><td>0</td><td>SP_main. This is the reset value of the Main stack pointer.</td></tr><tr><td>Exception Number</td><td>Exception using that Exception Number</td></tr></tbody> 454 </table> 455 </blockquote> 456 <p> 457 RP2040のベクターテーブルはM0PLUS: VTOR(<code>0xe0000000 + 0xed08</code>)というレジスタに書き込むことで設定する。このとき、下位8ビットは0にしないといけないので、ベクターテーブルの位置は256バイトでアラインする必要がある。ベクターテーブルの定義は<code>main.s</code>に書き、<code>boot2.s</code>からはラベルを使ってアクセスすることにする。以上をまとめると以下のコードになる:</p> 458 <pre><code> ldr r0, =vectors 459 ldr r1, m0plus_vtor 460 str r0, [r1, #0] // vector table 461 ldr r1, [r0, #4] // entry point 462 ldr r0, [r0, #0] // stack pointer 463 mov sp, r0 464 bx r1 465 466 /* ... */ 467 468 m0plus_vtor: 469 .word 0xe0000000 + 0xed08 470 </code></pre> 471 <p>なお以上のコードは<code>.boot2</code>という名前のセクションにしてある。 472 </p> 473 474 <h2>メインのコード(<code>main.s</code>)</h2> 475 476 <h3>ベクターテーブル</h3> 477 <p> 478 上で説明したように、ベクターテーブルのアドレスは256バイトの境界にないといけないが、<code>boot2.s</code>をフラッシュの最初の256バイトに配置しており、<code>main.s</code>はその直後から始まるようにリンクする。そのためメインのコードの最初にベクターテーブルを配置すればいい。ここでは割り込みの処理は考えないので、初期スタックポインタとエントリーポイントだけである。初期スタックポインタはSRAMの最後?(<code>0x20040000</code>)、エントリーポイントはエントリーポイントのラベルを用いて設定した。また、別のファイル(<code>boot2.s</code>)からアクセスしたいので、<code>.global</code>宣言をつけておく: 479 </p> 480 <pre><code> .global vectors 481 vectors: 482 .word 0x20040000 // initial SP 483 .word (reset+1) 484 </code></pre> 485 <p> 486 <code>reset</code>ラベルに<code>1</code>を足しているのはRP2040がThumbモードのみに対応しているからである。ArmのCPUはArmモードとThumbモードがあり、Armモードは32ビットの命令で高機能。Thumbモードは16ビットの命令(一部32ビット)でコンパクトである。どちらのモードでも命令は2の倍数のアドレスに並ぶことになる。そのためジャンブ命令のジャンプ先のアドレスの最下位ビットは常に0である。この最下位ビットはジャンプ先のモードを示す為に利用される。両方のモードに対応したCPUではジャンプ先のアドレスの最下位ビットが0ならArmモード、1ならThumbモードに切り替わる。ブランチ命令のオペランド等は多分アセンブラがいい感じにしてくれるので単にラベルを書けば動く。ベクターテーブルのこの部分は自分で足す必要があるみたい。あんまりちゃんと調べてないのでマニュアル読んでや。</p> 487 488 <h3>GPIOの設定</h3> 489 <p> 490 電源投入直後、RP2040の周辺機器はリセット状態になっている。まずは今回利用するGPIOのリセット状態を解除する必要がある。データシートの「2.14. Subsystem Resets」には以下のように書かれている: 491 </p> 492 <blockquote cite="https://datasheets.raspberrypi.com/rp2040/rp2040-datasheet.pdf"> 493 <p> 494 Every peripheral reset by the reset controller is held in reset at power-up. 495 It is up to software to deassert the reset of peripherals it intends to use. 496 </p> 497 </blockquote> 498 <p> 499 リセット状態を解除するには、RESETS_BASE(<code>0x4000c000</code>)から<code>0x0</code>バイト目のRESETS: RESETレジスタのうち利用したい周辺機器のビットを<code>0x0</code>にすればいい。 500 GPIOはIO Bank 0なので(これ明記されてなくない？)、RESETS: RESETレジスタのIO_BANK0(5番ビット)を<code>0x0</code>にする。 501 </p> 502 <h4>レジスタのアトミックなクリア</h4> 503 <p> 504 RESETS: RESETレジスタのうち5番ビットだけを<code>0x0</code>にしたい。この時、まずこのレジスタを読み込んでから<code>~(1 << 5)</code>と論理積を取って同レジスタに書き戻してもいいのだが、RP2040にはこれを一回の<code>str</code>でしかもアトミックにできる機能が用意されている。今回の場合アトミックかどうかは関係ないと思うけど。</p> 505 <p> 506 各レジスタには4個のアドレスが割り当てられている。データシートの各章のList of Registersに記載されているアドレスは通常の読み書きができる。そのアドレスに<code>0x1000</code>を足したものにアクセスするとアトミックなXORが、<code>0x2000</code>を足したものはアトミックなセットが、<code>0x3000</code>を足したものはアトミックなクリアができる。つまりレジスタのアドレスに<code>0x3000</code>を足したものに、<code>0x1 << 5</code>を<code>str</code>すれば5番目のビットだけ<code>0x0</code>にして、他のビットは変更されない。逆に指定したビットだけ立てて他を触らない場合は<code>0x2000</code>を、あるいは指定したビットだけトグルしたい場合は<code>0x1000</code>を足したアドレスにアクセスすればいい。</p> 507 <h4>リセット状態の確認</h4> 508 <p>リセットの解除はすぐに完了するわけではないようである。リセットの解除が完了したかどうか確認するにはRESETS: RESET_DONEレジスタ(RESETS_BASEから<code>0x8</code>バイト目)の該当するビット(ここでは5番目のビット)を読む。この値が<code>0x1</code>であればリセットの解除が完了している。<code>0x0</code>であれば処理が進行中なので<code>0x1</code>が返ってくるまで繰り返し読み込んで<code>0x0</code>になるまで待機する。ところでこのレジスタはリセットの解除が完了したかどうか確かめるものなので、RESET_DONEという名前はどうなん？ 509 <p> 510 以上から、GPIOのリセットを解除するのは以下のコード: 511 </p> 512 <pre><code>reset: 513 // unreset gpio 514 mov r0, #1 515 lsl r0, r0, #5 // io_bank0 516 ldr r3, resets_base 517 ldr r1, atomic_clr 518 str r0, [r3, r1] // RESETS: RESET 519 reset_chk: 520 ldr r1, [r3, #0x8] // RESETS: RESET_DONE 521 tst r0, r1 522 beq reset_chk 523 524 /* ... */ 525 526 atomic_clr: 527 .word 0x00003000 528 resets_base: 529 .word 0x4000c000 530 </code></pre> 531 532 <h3>GPIOの機能の選択</h3> 533 <p>RP2040のGPIOにはそれぞれ複数の機能が用意されていて、どれを使うかはソフトウェアから選択できる。利用できる機能の一覧と各機能の説明はデータシートの「2.19.2 Function Select」に詳しく書いてある。ここではGPIO25番のピンをSIO(Single-cycle IO)として利用する。同じCPUが載っているRaspberry Pi PicoはGPIO25番にLEDが半田付けされている。25番にしたのはこれに合わせるためである。他のピンでもいい。GPIOに1か0を印加するだけならこのSIOを使うみたいである。Single-cycleはCPUから操作したときに1クロックでその操作が完了するという意味らしい(本当か)。SIOの詳しい説明はデータシートの「2.3.1 SIO」にある。</p> 534 <p> 535 GPIO25番の機能を選択するにはIO_BANK0_BASE(<code>0x40014000</code>)から<code>0xcc</code>番目のGPIO25_CTRLレジスタの下位5ビットに、該当する機能の番号を書き込めばいい。データシートの「2.19.2 Function Select」にある表を見ると、GPIO25番のSIOは5である:</p> 536 <pre><code> // set gpio functions 537 ldr r3, io_bank0_base 538 mov r0, #5 // sio 539 mov r1, #0xcc 540 str r0, [r3, r1] // IO_BANK0: GPIO25_CTRL 541 542 /* ... */ 543 544 io_bank0_base: 545 .word 0x40014000 546 </code></pre> 547 548 <h3>GPIOの出力を有効化</h3> 549 <p> 550 GPIO25番がSIOになったので、次にこのピンからの出力を有効化する。既定値では出力は無効になっている。ハイインピーダンスってことなのかな？出力を有効にするには、SIO_BASE(<code>0xd0000000</code>)から<code>0x24</code>バイト目のSIO: GPIO_OEレジスタの該当するビット(25番のピンなので25番ビット)を<code>0x1</code>にする: 551 </p> 552 <pre><code> // enable gpio output 553 ldr r3, sio_base 554 mov r0, #1 555 lsl r0, r0, #25 // gpio25 556 str r0, [r3, #0x24] // SIO: GPIO_OE 557 558 /* ... */ 559 560 sio_base: 561 .word 0xd0000000 562 </code></pre> 563 564 <h3>LEDの点滅</h3> 565 <p>以上でGPIOの設定は完了したので、あとは実際にLEDに電圧を掛けるだけである。レジスタのアドレスに<code>0x1000</code>を足したものに書き込むとアトミックなレジスタのXORができると書いたが、SIOはこの機能がサポートされていないようである。データシートの「2.1.2 Atomic Register Access」に、 566 </p> 567 <blockquote cite="https://datasheets.raspberrypi.com/rp2040/rp2040-datasheet.pdf"> 568 <p> 569 The SIO (Section 2.3.1), a single-cycle IO block attached directly to the cores' 570 IO ports, does <strong>not</strong> support atomic accesses at the bus level, 571 although some individual registers (e.g. GPIO) have set/clear/xor aliases. 572 </p> 573 </blockquote> 574 <p> 575 と書かれている。そのかわりここにも書かれている通り、SIOの一部のレジスタにはアトミックなセット/クリア/XORをするためのレジスタが用意されている。ここではLEDを点滅させるためにGPIOの出力をトグルしたいのでXOR用のレジスタを使う。SIO_BASE(<code>0xd0000000</code>)から<code>0x1c</code>バイト目のSIO: GPIO_OUT_XORレジスタがそれである。このレジスタの25番ビットに<code>0x1</code>を書き込めばいい。出力をトグルした後は少し間をおいて同じことを繰り返す。間をおくためにここでは適当な数値を1づつ減らしていって0になったら返る関数<code>delay</code>を作った。タイマーと割り込みを使ったほうが消費電力等で優位なようだが、面倒なのでとりあえずこれで:</p> 576 577 <pre><code> // blink led on gpio25 578 ldr r4, sio_base 579 mov r5, r0 // r0 = 1 << 25 580 loop: 581 str r5, [r4, #0x1c] // SIO: GPIO_OUT_XOR 582 bl delay 583 b loop 584 585 delay: 586 mov r0, #1 587 lsl r0, r0, #20 588 delay_loop: 589 sub r0, r0, #1 590 bne delay_loop 591 bx lr 592 593 /* ... */ 594 595 sio_base: 596 .word 0xd0000000 597 </code></pre> 598 <p>なお以上のコードは<code>.text</code>セクションである。</p> 599 600 <h2>リンカスクリプト</h2> 601 <p> 602 以上のコードには<code>.boot2</code>、<code>.text</code>の2つのセクションが含まれる。<code>.boot2</code>はフラッシュの先頭から256(<code>0x100</code>)バイト目まで、<code>.text</code>はその後ろに続くように配置する: 603 <pre><code>MEMORY 604 { 605 FLASH(rx) : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 2048k 606 } 607 608 SECTIONS 609 { 610 .boot2 : { 611 *(.boot2) 612 . = 0x100; 613 } > FLASH 614 615 .text : { 616 *(.text) 617 } > FLASH 618 } 619 </code></pre> 620 621 <h2>Makefile</h2> 622 <p> 623 以上のソースコードは以下のように配置している: 624 </p> 625 <pre>rp2040 626 ├── ex1 627 │ ├── Makefile 628 │ ├── boot2.s 629 │ ├── main.s 630 │ └── memmap.ld 631 └── tools 632 ├── Makefile 633 ├── bin2uf2.c 634 └── bincrc.c 635 </pre> 636 <p> 637 toolsディレクトリのMakefileは同じディレクトリのソースファイルを<code>$(CC)</code>でコンパイルするだけのものである(個人的な趣味で<code>tcc</code>を使っている)。ex1ディレクトリのMakefileは以下の通り: 638 </p> 639 <pre><code>AS = arm-none-eabi-as 640 LD = arm-none-eabi-ld 641 OBJCOPY = arm-none-eabi-objcopy 642 BINCRC = ../tools/bincrc 643 BIN2UF2 = ../tools/bin2uf2 644 645 MCPU = -mcpu=cortex-m0plus 646 ASFLAGS = $(MCPU) 647 CFLAGS = $(MCPU) -ffreestanding -nostartfiles -O0 -fpic -mthumb -c 648 LDFLAGS = --no-relax -nostdlib 649 650 all: tools led.uf2 651 652 clean: 653 rm -f *.o *.elf *.uf2 *.bin 654 cd ../tools && make clean 655 656 .s.o: 657 $(AS) $(ASFLAGS) -o $@ $< 658 659 led.elf: boot2.o main.o memmap.ld 660 $(LD) $(LDFLAGS) -o $@ -T memmap.ld boot2.o main.o 661 662 led.bin: led.elf 663 $(OBJCOPY) -O binary led.elf $@ 664 665 led.uf2: led.bin 666 $(BINCRC) led.bin led_crc.bin 667 $(BIN2UF2) led_crc.bin $@ 668 669 flash: all 670 mount /dev/disk/by-label/RPI-RP2 /mnt 671 cp led.uf2 /mnt 672 673 tools: 674 cd ../tools && make 675 </code></pre> 676 677 <p> 678 RP2040のボードをUSBデバイスモードでLinuxのパソコンに接続し、ex1ディレクトリで</p> 679 <pre><code>$ make 680 # make flash 681 </code></pre> 682 <p> 683 とすればプログラムがRP2040のボードに書き込まれて実行が開始される。</p> 684 685 <h2>最後に</h2> 686 <p> 687 光あれ。 688 </p> 689 690 <h2>参考</h2> 691 <ul> 692 <li> 693 [1] Hennesy, J. L. and Patterson, D. A. 2017. Computer Organization And Design RISC-V Edition. 694 </li> 695 <li> 696 [2] <a href="https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-17542/">RP2040マイコンボードキット.秋月電子通商</a> 697 </li> 698 <li> 699 [3] <a href="https://datasheets.raspberrypi.com/rp2040/rp2040-datasheet.pdf">RP2040 Datasheet.Raspberry Pi Foundation</a> 700 </li> 701 <li> 702 [4] <a href="https://github.com/raspberrypi/pico-sdk">pico-sdk.github</a> 703 </li> 704 <li> 705 [5] <a href="https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A1%E5%9B%9E%E5%86%97%E9%95%B7%E6%A4%9C%E6%9F%BB">巡回冗長検査.Wikipedia</a> 706 </li> 707 <li> 708 [6] <a href="https://github.com/microsoft/uf2">USB Flashing Format (UF2).GitHub</a> 709 </li> 710 <li> 711 [7] <a href="https://developer.arm.com/documentation/ddi0419/c/">ARMv6-M Architecture Reference Manual</a> 712 </li> 713 </ul> 714