rp2040_1.html (36610B)
1 <!DOCTYPE html> 2 <html> 3 <head> 4 <meta charset="utf-8"> 5 <meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1"> 6 <link rel="stylesheet" type="text/css" href="/style.css"> 7 <link rel="icon" type="image/x-icon" href="/pics/favicon.ico"> 8 <title>RP2040 SDKなしでLチカ</title> 9 </head> 10 <body> 11 <header> 12 <a href="/">主頁</a> | 13 <a href="/about.html">自己紹介</a> | 14 <a href="/journal">日記</a> | 15 <a href="/farm">農業</a> | 16 <a href="/kitchen">台所</a> | 17 <a href="/computer">電算機</a> | 18 <a href="/poetry">詩</a> | 19 <a href="/books">本棚</a> | 20 <a href="/gallery">絵</a> | 21 <a href="/plant">植物</a> | 22 <a href="https://git.mtkn.jp">Git</a> 23 </header> 24 <main> 25 <article> 26 <h1>RP2040 SDKなしでLチカ</h1> 27 <time>2023-04-25</time>: 作成<br /> 28 <time>2024-02-25</time>: ベクターテーブルの修正 29 30 <h2>はじめに</h2> 31 <p> 32 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> 33 <p> 34 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> 35 <p> 36 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> 37 <p> 38 ソースコード: <a href="https://git.mtkn.jp/rp2040">git</a> 39 </p> 40 41 <h2>動作環境</h2> 42 <ul> 43 <li>Arch Linux 6.2.12-arch1-1 44 <ul> 45 <li>arm-none-eabi-binutils 2.40-1</li> 46 <li>GNU Make 4.4.1</li> 47 </ul> 48 </li> 49 <li>OpenBSD 7.3 50 <ul> 51 <li>arm-none-eabi-binutils 2.31.1</li> 52 <li>make (バージョン?)</li> 53 </ul> 54 ※<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。 55 </li> 56 </ul> 57 58 <h2>Boot Process</h2> 59 <p> 60 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。 61 </p> 62 <p> 63 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: 64 </p> 65 <pre>source bin bin with 66 code ----------> object ------> elf --------> bin -------> with --------> crc32 in 67 crc32 uf2 format 68 assemble link objcopy bincrc bin2uf2 69 </pre> 70 71 <h2>CRC(巡回冗長検査)</h2> 72 <p> 73 入力のデータをごにょごにょしてある値を出力する。</p> 74 <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"> 75 <p> 76 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>。 77 </p> 78 </blockquote> 79 <p> 80 らしい。 81 </p> 82 <p> 83 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: 84 </p> 85 <pre><code>1110101011011100110101101101111 入力(適当) 86 1011 除数(4ビット) 87 ------------------------------- 88 101101011011100110101101101111 結果(入力と除数のXOR) 89 1011 90 ------------------------------ 91 00001011011100110101101101111 92 1011 93 ------------------------- 94 000011100110101101101111 95 1011 96 -------------------- 97 1010110101101101111 98 1011 99 ------------------- 100 001110101101101111 101 1011 102 ---------------- 103 101101101101111 104 1011 105 --------------- 106 00001101101111 107 1011 108 ---------- 109 110101111 110 1011 111 --------- 112 11001111 113 1011 114 -------- 115 1111111 116 1011 117 ------- 118 100111 119 1011 120 ------ 121 01011 122 1011 123 ---- 124 000 CRC3チェックサム 125 </code></pre> 126 <p> 127 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> 128 <p> 129 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> 130 <p> 131 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: 132 </p> 133 <pre><code>111000111000000110000110111000111000001010010011111000111000000110010011 入力(適当) 134 |......| 135 111000110000000000000000000000000 先頭1バイト 136 100000100110000010001110110110111 除数 137 ------------------------------------------------------------------------ 138 011000010110000010001110110110111 139 100000100110000010001110110110111 140 ----------------------------------------------------------------------- 141 010000001010000110010011011011001 142 100000100110000010001110110110111 143 ---------------------------------------------------------------------- 144 000000110010001110101000000000101 145 |......| 146 110010001110101000000000101000000 1バイト目の結果 147 |......| 148 10000001 入力の2バイト目 149 ---------------------------------------------------------------- 150 010010011110101000000000101000000 1バイト目の結果と2バイト目のXOR 151 100000100110000010001110110110111 除数 152 ---------------------------------------------------------------- 153 000100011011010010001111100110111 154 . 155 . 156 . 157 </code></pre> 158 <p> 159 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> 160 <ul> 161 <li>前回の結果と、入力データの次のバイトをXOR</li> 162 <li> 163 <ul> 164 <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> 165 <li>先頭の1ビットが0の場合、そのまま左シフト</li> 166 </ul> 167 </li> 168 </ul> 169 <p> 170 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: 171 </p> 172 <pre><code>111000111000000110000110111000111000001010010011111000111000000110010011 入力(適当) 173 174 11111111111111111111111111111111 0xffffffff 175 11100011000000000000000000000000 先頭1バイトを24ビットシフト 176 -------------------------------- XOR 177 00011100111111111111111111111111 178 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 179 -------------------------------- シフト 180 00111001111111111111111111111110 181 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 182 -------------------------------- シフト 183 01110011111111111111111111111100 184 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 185 -------------------------------- シフト 186 11100111111111111111111111111000 187 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: 188 11001111111111111111111111110000 シフト 189 00000100110000010001110110110111 除数の下位32ビット 190 -------------------------------- XOR 191 11001011001111101110001001000111 192 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: 193 10010110011111011100010010001110 シフト 194 00000100110000010001110110110111 除数の下位32ビット 195 -------------------------------- XOR 196 10010010101111001101100100111001 197 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: 198 00100101011110011011001001110010 シフト 199 00000100110000010001110110110111 除数の下位32ビット 200 -------------------------------- XOR 201 00100001101110001010111111000101 202 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 203 -------------------------------- シフト 204 01000011011100010101111110001010 205 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 206 -------------------------------- シフト 207 10000110111000101011111100010100 1バイト目の結果 208 209 10000001 入力の2バイト目 210 -------------------------------- XOR 211 00000111111000101011111100010100 212 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 213 -------------------------------- シフト 214 00001111110001010111111000101000 215 . 216 . 217 . 218 </code></pre> 219 <p> 220 これを実装したのが以下のコード:</p> 221 <pre><code>uint32_t 222 crc32(uint8_t *idata, size_t len) 223 { 224 uint32_t pol = 0x04C11DB7; 225 uint32_t c = 0xFFFFFFFF; 226 uint32_t b; 227 228 for (int i = 0; i < len; i++) { 229 b = idata[i] << 24; 230 c ^= b; 231 for (int j = 0; j < 8; j++) { 232 c = c >> 31 & 1 ? c << 1 ^ pol : c << 1; 233 } 234 } 235 236 return c; 237 } 238 </code></pre> 239 <p> 240 <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。 241 </p> 242 243 <h2>UF2(USB Flashing Format)</h2> 244 <p> 245 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: 246 <blockquote cite="https://github.com/microsoft/uf2"> 247 <p> 248 UF2 is a file format, developed by Microsoft for PXT (also known as 249 Microsoft MakeCode), that is particularly suitable for flashing microcontrollers 250 over MSC (Mass Storage Class; aka removable flash drive)<sup>[6]</sup>. 251 </p> 252 </blockquote> 253 <p> 254 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: 255 <blockquote cite="https://github.com/microsoft/uf2"> 256 <table> 257 <thead><tr> 258 <th>Offset</th><th>Size</th><th>Value</th> 259 </tr></thead> 260 <tbody> 261 <tr> 262 <td>0</td> 263 <td>4</td> 264 <td>First magic number, <code>0x0A324655</code> (<code>"UF2\n"</code>)</td> 265 </tr> 266 <tr> 267 <td>4</td> 268 <td>4</td> 269 <td>Second magic number, <code>0x9E5D5157</code></td> 270 </tr> 271 <tr> 272 <td>8</td> 273 <td>4</td> 274 <td>Flags</td> 275 </tr> 276 <tr> 277 <td>12</td> 278 <td>4</td> 279 <td>Address in flash where the data should be written</td> 280 </tr> 281 <tr> 282 <td>16</td> 283 <td>4</td> 284 <td>Number of bytes used in data (often 256)</td> 285 </tr> 286 <tr> 287 <td>20</td> 288 <td>4</td> 289 <td>Sequential block number; starts at 0</td> 290 </tr> 291 <tr> 292 <td>24</td> 293 <td>4</td> 294 <td>Total number of blocks in file</td> 295 </tr> 296 <tr> 297 <td>28</td> 298 <td>4</td> 299 <td>File size or board family ID or zero</td> 300 </tr> 301 <tr> 302 <td>32</td> 303 <td>476</td> 304 <td>Data, padded with zeros</td> 305 </tr> 306 <tr> 307 <td>508</td> 308 <td>4</td> 309 <td>Final magic number, <code>0x0AB16F30</code></td> 310 </tr> 311 </tbody> 312 </table> 313 </blockquote> 314 315 <p> 316 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: 317 </p> 318 <pre><code>#include <stdio.h> 319 #include <stdint.h> 320 #include <stdlib.h> 321 #include <string.h> 322 323 324 size_t 325 fwrite32l(uint32_t d, FILE *f) 326 { 327 int i; 328 uint8_t b; 329 for (i = 0; i < 32; i += 8) { 330 b = (uint8_t) (d >> i & 0xff); 331 fwrite(&b, 1, 1, f); 332 if (ferror(f)) { 333 fprintf(stderr, "Fwrite32l: write error.\n"); 334 return 0; 335 } 336 } 337 return 4; 338 } 339 340 int 341 main(int argc, char *argv[]) 342 { 343 FILE *src = NULL, *dst = NULL; 344 size_t sdata = 476; 345 int retnum = 0; 346 347 uint32_t mag1 = 0x0A324655; 348 uint32_t mag2 = 0x9E5D5157; 349 uint32_t flags = 0x00002000; // familyID present 350 uint32_t addr = 0x10000000; 351 uint32_t nbyte = 256; 352 uint32_t blk = 0; 353 uint32_t nblk = 0; 354 uint32_t famid = 0xe48bff56; 355 uint8_t data[sdata]; 356 uint32_t mag3 = 0x0AB16F30; 357 358 memset(data, 0, sdata); 359 360 if (argc != 3) { 361 fprintf(stderr, "Usage: %s src dst\n", argv[0]); 362 exit(1); 363 } 364 365 if ((src = fopen(argv[1], "rb")) == NULL) { 366 fprintf(stderr, "Could not open %s.\n", argv[1]); 367 retnum = 1; 368 goto defer; 369 } 370 if ((dst = fopen(argv[2], "wb")) == NULL) { 371 fprintf(stderr, "Could not open %s.\n", argv[2]); 372 retnum = 1; 373 goto defer; 374 } 375 376 while (!feof(src)) { 377 fwrite32l(mag1, dst); 378 fwrite32l(mag2, dst); 379 fwrite32l(flags, dst); 380 fwrite32l(addr, dst); 381 fwrite32l(nbyte, dst); 382 fwrite32l(blk, dst); 383 fwrite32l(nblk, dst); // dummy 384 fwrite32l(famid, dst); 385 386 fread(data, 1, nbyte, src); 387 if (ferror(src)) { 388 fprintf(stderr, "Read error: %s.\n", argv[1]); 389 retnum = 1; 390 goto defer; 391 } 392 fwrite(data, 1, sdata, dst); 393 if (ferror(src)) { 394 fprintf(stderr, "Write error: %s.\n", argv[2]); 395 retnum = 1; 396 goto defer; 397 } 398 399 fwrite32l(mag3, dst); 400 401 addr += nbyte; 402 blk++; 403 nblk++; 404 } 405 406 for (int i = 0; i < nblk; i++) { 407 if (i == 0) 408 if (fseek(dst, 24, SEEK_SET) < 0) { 409 fprintf(stderr, "Seek error: %s.\n argv[2]"); 410 retnum = 1; 411 goto defer; 412 } 413 fwrite32l(nblk, dst); 414 if (i < nblk - 1) 415 if(fseek(dst, 512 - 4, SEEK_CUR) < 0){ 416 fprintf(stderr, "Seek error: %s.\n argv[2]"); 417 retnum = 1; 418 goto defer; 419 } 420 } 421 422 defer: 423 if (src) 424 fclose(src); 425 if (dst) 426 fclose(dst); 427 return retnum; 428 } 429 </code></pre> 430 <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> 431 <p> 432 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。 433 </p> 434 435 <h2>Flash Second Stage</h2> 436 <p> 437 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。 438 </p> 439 <p> 440 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> 441 <p> 442 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。 443 </p> 444 <p> 445 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: 446 </p> 447 <pre><code>setup_xip: 448 ldr r3, rom_base 449 450 ldrh r0, [r3, #0x14] // rom_func_table 451 ldr r1, =('C' | 'X' << 8) // _flash_enter_cmd_xip() 452 ldrh r2, [r3, #0x18] // rom_table_lookup 453 blx r2 454 blx r0 455 /* ... */ 456 rom_base: 457 .word 0x00000000 458 </code></pre> 459 460 <p> 461 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> 462 <blockquote cite="https://developer.arm.com/documentation/ddi0419/c/System-Level-Architecture/System-Level-Programmers--Model/ARMv6-M-exception-model/Exception-number-definition"> 463 <table> 464 <caption> 465 Table 7.3. Exception numbers 466 </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> 467 </table> 468 </blockquote> 469 470 <blockquote cite="https://developer.arm.com/documentation/ddi0419/c/System-Level-Architecture/System-Level-Programmers--Model/ARMv6-M-exception-model/The-vector-table"> 471 <table> 472 <caption> 473 Table 7.4. Vector table format 474 </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> 475 </table> 476 </blockquote> 477 <p> 478 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> 479 <pre><code> ldr r0, =vectors 480 ldr r1, m0plus_vtor 481 str r0, [r1, #0] // vector table 482 ldr r1, [r0, #4] // entry point 483 ldr r0, [r0, #0] // stack pointer 484 mov sp, r0 485 bx r1 486 487 /* ... */ 488 489 m0plus_vtor: 490 .word 0xe0000000 + 0xed08 491 </code></pre> 492 <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。 493 </p> 494 495 <h2>メインのコード(<code>main.s</code>)</h2> 496 497 <h3>ベクターテーブル</h3> 498 <p> 499 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: 500 </p> 501 <pre><code> .global vectors 502 vectors: 503 .word 0x20040000 // initial SP 504 .word (reset+1) 505 </code></pre> 506 <p> 507 <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> 508 509 <h3>GPIOの設定</h3> 510 <p> 511 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: 512 </p> 513 <blockquote cite="https://datasheets.raspberrypi.com/rp2040/rp2040-datasheet.pdf"> 514 <p> 515 Every peripheral reset by the reset controller is held in reset at power-up. 516 It is up to software to deassert the reset of peripherals it intends to use. 517 </p> 518 </blockquote> 519 <p> 520 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。 521 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。 522 </p> 523 <h4>レジスタのアトミックなクリア</h4> 524 <p> 525 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> 526 <p> 527 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> 528 <h4>リセット状態の確認</h4> 529 <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？ 530 <p> 531 以上から、GPIOのリセットを解除するのは以下のコード: 532 </p> 533 <pre><code>reset: 534 // unreset gpio 535 mov r0, #1 536 lsl r0, r0, #5 // io_bank0 537 ldr r3, resets_base 538 ldr r1, atomic_clr 539 str r0, [r3, r1] // RESETS: RESET 540 reset_chk: 541 ldr r1, [r3, #0x8] // RESETS: RESET_DONE 542 tst r0, r1 543 beq reset_chk 544 545 /* ... */ 546 547 atomic_clr: 548 .word 0x00003000 549 resets_base: 550 .word 0x4000c000 551 </code></pre> 552 553 <h3>GPIOの機能の選択</h3> 554 <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> 555 <p> 556 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> 557 <pre><code> // set gpio functions 558 ldr r3, io_bank0_base 559 mov r0, #5 // sio 560 mov r1, #0xcc 561 str r0, [r3, r1] // IO_BANK0: GPIO25_CTRL 562 563 /* ... */ 564 565 io_bank0_base: 566 .word 0x40014000 567 </code></pre> 568 569 <h3>GPIOの出力を有効化</h3> 570 <p> 571 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: 572 </p> 573 <pre><code> // enable gpio output 574 ldr r3, sio_base 575 mov r0, #1 576 lsl r0, r0, #25 // gpio25 577 str r0, [r3, #0x24] // SIO: GPIO_OE 578 579 /* ... */ 580 581 sio_base: 582 .word 0xd0000000 583 </code></pre> 584 585 <h3>LEDの点滅</h3> 586 <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、 587 </p> 588 <blockquote cite="https://datasheets.raspberrypi.com/rp2040/rp2040-datasheet.pdf"> 589 <p> 590 The SIO (Section 2.3.1), a single-cycle IO block attached directly to the cores' 591 IO ports, does <strong>not</strong> support atomic accesses at the bus level, 592 although some individual registers (e.g. GPIO) have set/clear/xor aliases. 593 </p> 594 </blockquote> 595 <p> 596 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> 597 598 <pre><code> // blink led on gpio25 599 ldr r4, sio_base 600 mov r5, r0 // r0 = 1 << 25 601 loop: 602 str r5, [r4, #0x1c] // SIO: GPIO_OUT_XOR 603 bl delay 604 b loop 605 606 delay: 607 mov r0, #1 608 lsl r0, r0, #20 609 delay_loop: 610 sub r0, r0, #1 611 bne delay_loop 612 bx lr 613 614 /* ... */ 615 616 sio_base: 617 .word 0xd0000000 618 </code></pre> 619 <p>なお以上のコードは<code>.text</code>セクションである。</p> 620 621 <h2>リンカスクリプト</h2> 622 <p> 623 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: 624 <pre><code>MEMORY 625 { 626 FLASH(rx) : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 2048k 627 } 628 629 SECTIONS 630 { 631 .boot2 : { 632 *(.boot2) 633 . = 0x100; 634 } > FLASH 635 636 .text : { 637 *(.text) 638 } > FLASH 639 } 640 </code></pre> 641 642 <h2>Makefile</h2> 643 <p> 644 以上のソースコードは以下のように配置している: 645 </p> 646 <pre>rp2040 647 ├── ex1 648 │ ├── Makefile 649 │ ├── boot2.s 650 │ ├── main.s 651 │ └── memmap.ld 652 └── tools 653 ├── Makefile 654 ├── bin2uf2.c 655 └── bincrc.c 656 </pre> 657 <p> 658 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: 659 </p> 660 <pre><code>AS = arm-none-eabi-as 661 LD = arm-none-eabi-ld 662 OBJCOPY = arm-none-eabi-objcopy 663 BINCRC = ../tools/bincrc 664 BIN2UF2 = ../tools/bin2uf2 665 666 MCPU = -mcpu=cortex-m0plus 667 ASFLAGS = $(MCPU) 668 CFLAGS = $(MCPU) -ffreestanding -nostartfiles -O0 -fpic -mthumb -c 669 LDFLAGS = --no-relax -nostdlib 670 671 all: tools led.uf2 672 673 clean: 674 rm -f *.o *.elf *.uf2 *.bin 675 cd ../tools && make clean 676 677 .s.o: 678 $(AS) $(ASFLAGS) -o $@ $< 679 680 led.elf: boot2.o main.o memmap.ld 681 $(LD) $(LDFLAGS) -o $@ -T memmap.ld boot2.o main.o 682 683 led.bin: led.elf 684 $(OBJCOPY) -O binary led.elf $@ 685 686 led.uf2: led.bin 687 $(BINCRC) led.bin led_crc.bin 688 $(BIN2UF2) led_crc.bin $@ 689 690 flash: all 691 mount /dev/disk/by-label/RPI-RP2 /mnt 692 cp led.uf2 /mnt 693 694 tools: 695 cd ../tools && make 696 </code></pre> 697 698 <p> 699 RP2040のボードをUSBデバイスモードでLinuxのパソコンに接続し、ex1ディレクトリで</p> 700 <pre><code>$ make 701 # make flash 702 </code></pre> 703 <p> 704 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> 705 706 <h2>最後に</h2> 707 <p> 708 光あれ。 709 </p> 710 711 <h2>参考</h2> 712 <ul> 713 <li> 714 [1] Hennesy, J. L. and Patterson, D. A. 2017. Computer Organization And Design RISC-V Edition. 715 </li> 716 <li> 717 [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> 718 </li> 719 <li> 720 [3] <a href="https://datasheets.raspberrypi.com/rp2040/rp2040-datasheet.pdf">RP2040 Datasheet.Raspberry Pi Foundation</a> 721 </li> 722 <li> 723 [4] <a href="https://github.com/raspberrypi/pico-sdk">pico-sdk.github</a> 724 </li> 725 <li> 726 [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> 727 </li> 728 <li> 729 [6] <a href="https://github.com/microsoft/uf2">USB Flashing Format (UF2).GitHub</a> 730 </li> 731 <li> 732 [7] <a href="https://developer.arm.com/documentation/ddi0419/c/">ARMv6-M Architecture Reference Manual</a> 733 </li> 734 </ul> 735 </article> 736 737 </main> 738 <footer> 739 <address>info(at)mtkn(dot)jp</address> 740 <a href="http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0?ref=chooser-v1" rel="license noopener noreferrer">CC0 1.0</a> 741 </footer> 742 </body> 743 </html>