第 7 个历程 · 没有屏幕的机器:它亲口向咱们问好
这是全书的高潮。上一个历程结束时,咱们手里是一颗造好却无处安放的 ARM 心脏;这个历程,QEMU 给它一副身体——一块虚拟的、没有操作系统的、没有屏幕的板子。程序将在上面自己开机、自己初始化,然后通过一根串口线,亲口向世界问好。咱们将拿到这本书的签名产物:一份 CI 背书的串口运行证据。
咱们的虚拟板叫 mps2-an385,CPU 是 Cortex-M3——和 STM32 主流型号同一个家族。这不是随手挑的:咱们在这个历程写的每一行启动代码,将来搬到真 STM32 上,骨架几乎不变。
动手地点是 src/journey/06-qemu-uart/。需要的工具这回齐了:arm-none-eabi-gcc、qemu-system-arm(第 1 个历程 的建议工具全部到岗)。您 cd 过去,咱们上电。
先解决一个哲学问题:谁叫醒 main?
在宿主机上,./hello 之前有一整个操作系统在铺床:加载 ELF、设好栈、把环境变量摆好,然后才跳到 main。裸机上没有这位管家——CPU 上电后只做一件事:从地址 0 读两个数,第一个当栈顶,第二个当入口。所以裸机程序的第一份文件不是 main,是出生证明:
/* 主线第 7 个历程 · 出生证明:向量表 + 复位流程
* 对应教程:tutorial/journey/06-qemu-uart.md
* 目标板:QEMU mps2-an385(Cortex-M3)
*/
#include <stdint.h>
#include <stddef.h>
/* gcc 会把「抄写循环」识别成 memcpy 调用、把「清零循环」识别成 memset 调用;
* -nostdlib 的世界里没有 libc,所以裸机工程自带这两个最小实现。 */
void *memcpy(void *dst, const void *src, size_t n)
{
unsigned char *d = dst;
const unsigned char *s = src;
while (n--) *d++ = *s++;
return dst;
}
void *memset(void *dst, int c, size_t n)
{
unsigned char *d = dst;
while (n--) *d++ = (unsigned char)c;
return dst;
}
/* 这些地址全部由链接脚本(linker.ld)定义 */
extern uint32_t _estack; /* 初始栈顶 */
extern uint32_t _sidata; /* .data 的行李在 flash 里的位置 */
extern uint32_t _sdata; /* .data 在 RAM 里的家 */
extern uint32_t _edata;
extern uint32_t _sbss; /* .bss 在 RAM 里的家 */
extern uint32_t _ebss;
int main(void);
void Reset_Handler(void)
{
uint32_t *src = &_sidata;
uint32_t *dst = &_sdata;
while (dst < &_edata) /* .data:把行李从 flash 搬进 RAM */
*dst++ = *src++;
for (dst = &_sbss; dst < &_ebss; dst++) /* .bss:按合同清零 */
*dst = 0;
(void)main();
for (;;) { } /* main 不该回来;回来了就原地罚站 */
}
/* Cortex-M 的向量表:第 0 项是初始栈顶,第 1 项是复位入口。
* 硬件复位时自己读这张表,不需要咱们写一行汇编。 */
__attribute__((section(".isr_vector"), used))
const uintptr_t vector_table[] = {
(uintptr_t)&_estack,
(uintptr_t)Reset_Handler,
};开头那对 memcpy/memset 不是炫技,是笔者真实的踩坑:第一版笔者只写了两个裸的 while 循环,链接器当场罢工——undefined reference to memcpy。原因是 gcc 的「循环模式识别」会把抄写循环悄悄换成 memcpy 调用,而 -nostdlib 的世界里没有 libc。咱们以为在写循环,编译器译成了函数调用——汇编层看到的才是真相,这句话在第 2 个历程 就说过了。
两样随身小物先认一下:stdint.h 里的 uint32_t 是「正好 32 位的无符号整数」——把宽度说死,不看 int 在不同机器上的脸色,在两套架构之间搬家的路上,这是保命的习惯;size_t 则是「能装下任何对象大小」的无符号类型,标准数数用的就是它。然后是这张表的读法。vector_table 用 __attribute__((section(".isr_vector"))) 放进一个专门的段,链接脚本保证它是 flash 的第一块——因为硬件复位时无条件从地址 0 读它:第 0 项 _estack 是初始栈顶(栈从 RAM 顶端向下长),第 1 项 Reset_Handler 是入口。这就是「谁叫醒 main」的完整答案:硬件读表,跳进 Reset_Handler,它搬完家,再叫 main。
而 Reset_Handler 干的两件事,正是第 2 个历程 埋的伏笔全部兑现。
.data 段的变量「初值在 flash、生活在 RAM」,所以要把行李从 flash 抄进 RAM.bss 段按合同是全零(NOBITS,不占文件一字节),所以上电第一件事是把那块 RAM 刷干净。当时说「程序启动时内存里划一块零就行」——划零的人,就是这里。
对了,(void)main() 那个 (void) 不是装饰:main 返回 int,咱们把返回值故意扔掉,写明是告诉 -Wall「故意的,别念叨」。
住址由这张纸决定
出生证明里那些 _estack、_sdata,不是变量,是链接脚本签发的地址——extern 在这里只是「先报个户口,本体在别处」的声明(第 4 个历程 菜单与厨房的分工),妙就妙在「别处」居然是一份链接脚本。裸机世界里没有操作系统替咱们选加载地址,每个段住在哪,咱们自己说了算:
还是看不懂？没关系，我们之后会有专门的仓库仔细的盘算“链接脚本”这个课程。
/* 主线第 7 个历程 · 没有屏幕的机器 —— 程序的住址由这张纸决定
* 对应教程:tutorial/journey/06-qemu-uart.md
* 目标:QEMU mps2-an385 —— 代码区在 0x00000000,RAM 在 0x20000000
*/
ENTRY(Reset_Handler)
MEMORY
{
FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 512K
RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 512K
}
_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM); /* 栈从 RAM 顶端向下长 */
SECTIONS
{
.isr_vector : {
KEEP(*(.isr_vector)) /* 向量表必须是第一块 */
} > FLASH
.text : {
*(.text*)
*(.rodata*)
} > FLASH
_sidata = LOADADDR(.data); /* .data:行李在 flash,人在 RAM */
.data : {
_sdata = .;
*(.data*)
_edata = .;
} > RAM AT > FLASH
.bss : {
_sbss = .;
*(.bss*)
*(COMMON)
_ebss = .;
} > RAM
}MEMORY 块声明这块板的两片地:flash 从 0 开始(向量表必须住在 0),RAM 从 0x20000000 开始——这两个地址来自板子的手册,QEMU 照着真实硬件建模。
SECTIONS 里每一行都是第 2 个历程 readelf -S 看过的老朋友,只是这次它们的位置由咱们分配。分配时手里捏着一支游标:脚本里那个孤零零的点 . 表示「当前位置」,_sdata = . 就是把游标此刻的读数记下来当书签。KEEP(*(.isr_vector)) 里的 KEEP 是保险——向量表没有任何代码显式引用它(来读它的是硬件,链接器不知道这层关系),开裁剪时可能被当垃圾扔掉,KEEP 明确说不许。
*(COMMON) 收的是「无初值全局变量」的老式合并区,跟 .bss 一个待遇,顺手一起清零。最有意思的是 .data : > RAM AT > FLASH:两个地址——运行地址在 RAM(> RAM),存储地址在 flash(AT > FLASH),LOADADDR 取的正是行李的存身处。Startup 里那趟搬家,搬的就是这两地址之间的差。
串口:这台机器唯一的嘴
没有屏幕、没有 printf、没有操作系统——输出靠什么?靠 UART(通用异步收发器,串口这门手艺的主力)。它是一块外设:所谓外设,就是 CPU 之外、挂在总线上替 CPU 干活的功能块——串口、定时器、GPIO 都是。咱们往特定地址写一个字节,它就把这个字节变成电平波形发出去。这就是嵌入式世界的老话:串口就是板子的 stdout。
/* 主线第 7 个历程 · 没有屏幕的机器:串口是我们唯一的嘴
* 对应教程:tutorial/journey/06-qemu-uart.md
* 目标板:QEMU mps2-an385(Cortex-M3),UART0 = CMSDK APB UART
*/
#include <stdint.h>
#define UART0_BASE 0x40004000UL
#define UART_DATA (*(volatile uint32_t *)(UART0_BASE + 0x00))
#define UART_STATE (*(volatile uint32_t *)(UART0_BASE + 0x04))
#define UART_CTRL (*(volatile uint32_t *)(UART0_BASE + 0x08))
#define UART_BAUDDIV (*(volatile uint32_t *)(UART0_BASE + 0x0C))
#define UART_STATE_TXBF (1u << 0) /* 发送缓冲满:满了就等 */
#define UART_CTRL_TXEN (1u << 0) /* 打开发送 */
static void uart_init(void)
{
UART_BAUDDIV = 16; /* QEMU 不仿真波特率时序;真板按 PCLK/baud 算 */
UART_CTRL = UART_CTRL_TXEN; /* 我们只需要说话,不需要听 */
}
static void uart_putc(char c)
{
while (UART_STATE & UART_STATE_TXBF) { }
UART_DATA = (uint32_t)c;
}
static void uart_puts(const char *s)
{
while (*s) {
if (*s == '\n')
{
/* 串口世界的礼貌:\n 前面补一个 \r */
uart_putc('\r');
}
uart_putc(*s++);
}
}
int main(void)
{
uart_init();
uart_puts("hello, EmbedBox!\n");
uart_puts("journey beat 06: no OS, just UART (v0.6.0)\n");
for (;;) { } /* 裸机主循环:永远不许返回 */
}这段代码每个字都值得初学者看三遍。0x40004000 是这块板 UART0 的基地址(来自板子手册),+0x00/0x04/0x08 的偏移是 CMSDK UART 的寄存器排布:DATA 是数据口,STATE 是状态,CTRL 是开关,BAUDDIV 是波特率分频——波特率就是双方约好的「每秒发多少位」的语速,分频值决定它。寄存器里的开关按「位」居住:1u << 0 造出一个只有第 0 位是 1 的数,而 UART_STATE & UART_STATE_TXBF 只看第 0 位、其余一概不理——位的移与与,是嵌入式每天的算术。最外层那圈 (*(volatile uint32_t *)...) 是嵌入式的心跳:不加 volatile,编译器看程序循环读一个「没改过的地址」,会好心地把读操作优化掉——于是 CPU 永远等不到缓冲区变空,程序死在等待里。真板和 QEMU 都会如实扮演这个坑。这套「寄存器就是内存里的地址,读写地址就是操作硬件」的打法,行话叫内存映射 IO(MMIO)——CPU 眼里没有什么「外设」分类,只有一批带副作用的地址。
uart_putc 的逻辑是所有外设驱动的母版:等硬件准备好,再动手。TXBF(发送缓冲满)是 UART 在说「上一个字节我还没发完」,咱们就等。uart_puts 里补 \r 是串口世界的礼貌:很多终端把 \n 只当「下移一行」不当「回到行首」,hello 会变成阶梯——补一个 \r 才是干净的换行。
上电
构建流程和第 6 个历程 同构,几个新面孔:-mcpu=cortex-m3 精确点名 CPU,-mthumb 选 Thumb 指令集(它的现代形态 Thumb-2,第 6 个历程 提过一嘴),-nostdlib 宣布谁都不借,-T linker.ld 递上咱们自己签发的住址纸:
arm-none-eabi-gcc -c -mcpu=cortex-m3 -mthumb -Wall -Wextra -g -O2 startup.c -o startup.o
arm-none-eabi-gcc -c -mcpu=cortex-m3 -mthumb -Wall -Wextra -g -O2 main.c -o main.oarm-none-eabi-gcc -nostdlib -T linker.ld startup.o main.o -o hello.elf先验货。objdump -f 这次有三处新看点:
arm-none-eabi-objdump -f hello.elf
hello.elf: file format elf32-littlearm
architecture: armv7, flags 0x00000112:
EXEC_P, HAS_SYMS, D_PAGED
start address 0x00000009flags 里 HAS_RELOC 没了,换来 EXEC_P——第 2 个历程 讲过,目标文件「有待重定位项」,链接完成后地址全部落定,这回是在咱们自己的链接脚本上落定的。架构栏的 armv7 替代了第 6 个历程 的默认档 armv4t,这是点名 CPU 的效果。还有一个悬案:start address 是 0x9,可 Reset_Handler 明明在地址 0x8?这是 Cortex-M 的 Thumb bit:入口地址的 bit0 置 1 表示「这是 Thumb 指令」,CPU 取指前自动把它抹掉——这个 bit0,在后面的反汇编和链接脚本里还会反复露面。
再出裸二进制,看体重:
arm-none-eabi-objcopy -O binary hello.elf hello.bin
ls -l hello.elf hello.bin-rwxr-xr-x 1 charliechen charliechen 268 Aug 23 14:49 hello.bin
-rwxr-xr-x 1 charliechen charliechen 9388 Aug 23 14:49 hello.elf268 字节。 上一个历程拖着半主机后端的 .bin 是 62KB——这回没有 newlib、没有 rdimon、没有别人的家具,向量表、启动代码、两个驱动函数、两句话,全部家当 268 字节。这就是裸机的体重。
然后,上电:
timeout 5 qemu-system-arm -M mps2-an385 -cpu cortex-m3 -nographic -monitor none \
-kernel hello.elf五个参数逐个读:-M mps2-an385 指定机器型号(板子);-cpu cortex-m3 指定 CPU;-nographic 关掉图形界面,把串口直接接到咱们的终端;-monitor none 关掉 QEMU 自带的控制台,免得它和串口抢 stdin(程序的标准输入,就是咱们在终端敲的字);-kernel hello.elf 把镜像塞进板子并按下复位键。timeout 5 是因为咱们这位主角说完话就进死循环,不打算退休,5 秒后替它关机。终端上出现的是:
hello, EmbedBox!
journey beat 06: no OS, just UART (v0.6.0)不够带劲，我们来看看实际的样子！
它开口了。 从一行 hello.c 走到这里:被解剖、生过病、长成三个文件、住进 CMake 工程、搬过家——现在它住在一块没有操作系统的板子上,用一根(虚拟)串口线向咱们问好。这就是 community 计划书里那句「在 QEMU 中运行,并保存一次可追溯的串口或运行结果」的前半句。
证据落袋
后半句「可追溯」现在完成。先把串口输出捕获成文件——在运行命令后面接 > serial.txt,这叫重定向:把本该打到屏幕上的字,引进文件里存着。然后和仓库里预存的期望值用 diff 比对(-u 是把差异连同上下文一起摊开的显示格式)。diff 的规矩很有性格:一致时它一个字都不说——沉默即通过。您可以试试看用一下。
把搬家也交给管家:工具链文件
手敲上面那三条命令,为的是把每一棒的新面孔看真切。但第 5 个历程 吹过的牛不能烂账——「换一个工具链文件,重新配置」,CMake 在两套工具链之间切换的底气,现在当场兑现。两个新文件,先看小的:
# 主线第 7 个历程 · 没有屏幕的机器 —— 工具链文件:CMake 的「这单活用哪套工具」
# 对应教程:tutorial/journey/06-qemu-uart.md
# 用法:cmake -S . -B build -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=arm-none-eabi.cmake
set(CMAKE_SYSTEM_NAME Generic) # 裸机:没有操作系统
set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR arm) # 目标机是 ARM
set(CMAKE_C_COMPILER arm-none-eabi-gcc)
# 裸机上链不出可执行文件,探测编译器时只编译、不链接
set(CMAKE_TRY_COMPILE_TARGET_TYPE STATIC_LIBRARY)工具链文件(toolchain file)就是一张委派书:配置期递给 CMake,告诉它这单活请哪套工具、干给哪种机器。Generic 是 CMake 的行话,「没有操作系统」的意思;最后那行是裸机的暗门——CMake 探测编译器时默认要试着链一个可执行文件,而裸机链不出,得让它只编译、不链接。再看工程本体:
# 主线第 7 个历程 · 没有屏幕的机器 —— 裸机构建交给 CMake 收编
# 对应教程:tutorial/journey/06-qemu-uart.md
# 配合 arm-none-eabi.cmake(工具链文件)使用,见上文件头的用法
cmake_minimum_required(VERSION 3.16)
project(journey_baremetal C)
add_executable(hello.elf startup.c main.c)
target_compile_options(hello.elf PRIVATE
-mcpu=cortex-m3 -mthumb -Wall -Wextra -g -O2)
target_link_options(hello.elf PRIVATE
-mcpu=cortex-m3 -mthumb -nostdlib -T ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/linker.ld)认一认熟人:三条手敲命令一个字没丢,只是换了住处——-mcpu/-mthumb/警告/-g/-O2 住进 target_compile_options,-nostdlib 和 -T linker.ld 住进 target_link_options(${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR} 是「CMakeLists 所在目录」,防止从别处配置时找不到链接脚本)。还是第 5 个历程 那句话:命令照跑,但咱们维护的是声明,不是过程。然后,老两步——注意委派书是配置期递的:
cmake -S . -B build -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=arm-none-eabi.cmake
cmake --build build-- The C compiler identification is GNU 16.1.0
-- Check for working C compiler: /usr/sbin/arm-none-eabi-gcc - skipped
-- Configuring done (0.1s)
-- Generating done (0.0s)
-- Build files have been written to: /tmp/.../build
[ 33%] Building C object CMakeFiles/hello.elf.dir/startup.c.obj
[ 66%] Building C object CMakeFiles/hello.elf.dir/main.c.obj
[100%] Linking C executable hello.elf
[100%] Built target hello.elf配置日志里那行 Check for working C compiler ... - skipped,就是暗门生效的样子。最后验货,两条生产线对撞——cmp 比对二进制文件,diff 的表亲,一致时同样一言不发:
arm-none-eabi-objcopy -O binary build/hello.elf hello-cmake.bin
cmp hello.bin hello-cmake.bin沉默,即逐字节一致。build/hello.elf 再进一次 QEMU,串口输出与 expected-serial.txt 依然分毫不差(配对脚本把这整套也纳入了断言)。管家上岗,誓言兑现——往后工程要在宿主机和目标机两边同时构建,就是多一份委派书的事。
兑现一个伏笔:target remote
第 3 个历程 结尾说过:这一切终将隔着一条线搬过去。现在程序在另一台机器里,咱们隔着 TCP 隔空调试。动手前交代一处看起来像「自相矛盾」的地方:第 3 个历程 立过「调试用 -O0」的规矩,这次却编了 -O2——裸机寸土寸金是一层理由,更实在的是今天的断点都落在函数入口,-O2 不碍事;真要逐行追变量,把构建里的 -O2 换回 -O0 重来即可。规矩是活的,取舍要明说:
gdb -q -batch -iex 'set debuginfod enabled off' \
-ex 'target remote localhost:12345' \
-ex 'break main' \
-ex 'continue' \
-ex 'bt' \
hello.elf(先把 QEMU 用 -S -gdb tcp::12345 起在后台——-S 让它开机即停,-gdb 打开一个 gdbstub 服务口。)
这里有个发行版分岔,先打预防针:Ubuntu 的原生 gdb 是单架构构建,连上 ARM 目标会警告 unknown architecture "arm",然后当场失联——Ubuntu 用户要请的是 gdb-multiarch(sudo apt install gdb-multiarch),之后把命令里的 gdb 换成 gdb-multiarch,其余一字不动;Arch 这类发行版的 gdb 生来全架构,没有这道坎。配对脚本会自己挑人。
Reset_Handler () at startup.c:39
39 while (dst < &_edata) /* .data:把行李从 flash 搬进 RAM */
Breakpoint 1 at 0xa8: file main.c, line 18.
Breakpoint 1, main () at main.c:18
18 UART_BAUDDIV = 16; /* QEMU 不仿真波特率时序;真板按 PCLK/baud 算 */
#0 main () at main.c:18
[Inferior 1 (process 1) detached]读这份成绩单:一接上,程序正停在 Reset_Handler 搬 .data 的行——开机即停的效果;break main 之后 continue,断点隔着一条 TCP 线精准命中另一台机器里的 main,bt 递上调用栈(末尾那行 [Inferior 1 ... detached] 是 -batch 收工时自动松手告辞——inferior 是 gdb 给「被调试者」起的学名)。命令还是第 3 个历程 那五件套,一个字没变,变的只是被调试者住在本机进程还是板子里。将来咱们调试真 STM32,用的 OpenOCD 干的就是 QEMU 这个 -gdb 的活:把芯片的调试口翻译成同一套 gdb 协议。今天这堂课,直接复用。
这个历程咱们带走了什么
一份出生证明(向量表 + 复位流程,.data/.bss 的搬家与清零)、一张住址纸(链接脚本,MEMORY 与 SECTIONS)、一个驱动母版(volatile MMIO + 等硬件准备好)、一枚指纹(expected-serial.txt)、一张委派书(工具链文件,CMake 收编裸机构建——第 5 个历程 的承诺兑现)——还有 target remote,和一根永远通向真板的线。268 字节,无借贷,全部家当由咱们自己签名。
到这里,「从 clean clone 到可追溯的串口证据」的完整链条咱们已经亲手走通了一次。这也是本书主线的技术终点——剩下的几个历程,讲的是怎么和这位新朋友共同生活:怎么记录它、怎么让编辑器认识它、以及怎么把它送上真正的硬件。
下一站
机器开口说话了。但如果这段旅程丢了——代码没处放、改动没法回溯、成果没法交给人——一切等于没发生。下一个历程,把旅程记下来:Git 的深度,和一份像样的 README。