[tech] 割込みと WFI 命令を使った sleep の実装 | Wed, Feb 26. 2014 - 氾濫原 で WFI 命令があるのでそれ使えばよさそうみたいなことを書いたけど、Which architectures support the WFI instruction? を読んでいたら、Raspberry Pi が WFI 命令をサポートしていないことに気付いてしまった……

Raspberry Pi は ARMv6K というアーキテクチャの ARM1176JZ-F というプロセッサらしい。無印の ARMv6 は WFI 命令をサポートしない。ただ、ARM1176JZ-F は別の方法で使うことができる。

いろいろ書いてあってややこしいが、重要なのはここ

なので、WFI 命令は NOP として扱われてた…… 気を使って NOP でも普通に動くコードを書いた結果気付きにくいバグを作っていた。

mov r1, #0;
mcr p15, #0, r1, c7, c0, #4;

とすれば WFI 相当のことができるみたい。コプロセッサってなんだよって感じだけど、書いてある通り書いたらエラーはでなかった。

mcr 命令は ARM レジスタからコプロセッサへデータを転送する命令らしい。上の mcr 命令の場合

• C15 (p15) コプロセッサの
• レジスタ7 (c7) = レジスタ 7: キャッシュ管理機能 に対し
• 割込み待ち (c0, #4 ) を転送する

転送する値はなんでもいい？のかな。r1 に転送する値を入れるけど 0 にしてる。mcr の第2引数もコプロセッサのオペコードっっぽいけどよくわからない。

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• https://launchpad.net/gcc-arm-embedded

この GCC (ビルド済み) を使えば fpu がどうとかも何も問題なくうまくいく。

ただし、gdb の simulator がついてないのが不便…… だけど、むしろ gdb でやるより、qemu とかでエミュレーションしたほうがよさそう…… 環境つくるのめんどいけど

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Raspberry Pi で bare metal をやっているこのコードを読んで理解したいと思います。README に殆ど書いてありますが、ちょっとよくわからないところがあったのでさらに詳しくしてみます。

• https://github.com/dwelch67/raspberrypi/blob/master/blinker05/vectors.s

前提として、ld スクリプト の通り、このプログラムの冒頭は 0x8000 からはじまっています。

_start:
    ldr pc,reset_handler
    ldr pc,undefined_handler
    ldr pc,swi_handler
    ldr pc,prefetch_handler
    ldr pc,data_handler
    ldr pc,unused_handler
    ldr pc,irq_handler
    ldr pc,fiq_handler

reset_handler:      .word reset
undefined_handler:  .word hang
swi_handler:        .word hang
prefetch_handler:   .word hang
data_handler:       .word hang
unused_handler:     .word hang
irq_handler:        .word irq
fiq_handler:        .word fiq

reset:
    /* Set interrupt handler to radical address from 0x8000
     */
    mov r0,#0x8000
    mov r1,#0x0000
    /* copy machine code 32bytes bytes at once */
    ldmia r0!,{r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9} /* load machine code from 0x8000 */
    stmia r1!,{r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9} /* store code to 0x0000 */
    /* more 32 bytes */
    ldmia r0!,{r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9}
    stmia r1!,{r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9}

    /* IRQ Mode (0b11010010),   */
    mov r0,#0xD2
    msr CPSR_c,r0
    mov sp,#0x8000

    /* FIQ Mode (0b11010001) */
    mov r0,#0xD1
    msr CPSR_c,r0
    mov sp,#0x4000

    /* Supervisor Mode (0b11010011) */
    mov r0,#0xD3
    msr CPSR_c,r0
    mov sp,#0xF000000

    /* 
     *  CPSR register lowest 8bit: (page A2-11)
     *      I    [7]   -> IRQ disabled (set 1 to disable)
     *      F    [6]   -> FIQ disabled (set 1 to disable)
     *      T    [5]   -> Always set 0 in ARM state
     *      MODE [4:0] -> Mode bit
     */

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3. Raspberry Pi で bare metal している blinker05 の ARM ブートコードを読む

mruby で Raspberry Pi の GPIO をいじるというやつで、sleep をビジーループにしていたのがどうしてもひっかかっていた。

どうも ARM には割込みが起きるまで眠る命令があるみたいなので、それを使ってみることにした。コード全体

static mrb_value mrb_mruby_raspberrypi_gpio_gem_delay_us(mrb_state* mrb, mrb_value self) {
	mrb_int delay;
	mrb_get_args(mrb, "i", &delay);

	// Reset timer flags
	PUT32(ARM_TIMER_CONTROL, 0x3E0020);
	// Load count down timer value
	PUT32(ARM_TIMER_LOAD, delay-1);
	PUT32(ARM_TIMER_RELOAD, delay-1);
	// predevider = (apb_clk - freq) / freq
	PUT32(ARM_TIMER_PRE_DIVIDER, 250 - 1);
	PUT32(ARM_TIMER_IRQ_CLEAR_ACK, 0);
	PUT32(ARM_TIMER_CONTROL,
		(0x3E<<16) | // default free-running pre-scaler
		(1<<7)     | // timer enabled
		(1<<5)     | // timer interrupt enabled
		(1<<1)       // 23-bit counter
	);

	// Enable ARM Timer IRQ
	PUT32(ARM_INTERRUPT_ENABLE_BASIC_IRQS, 1);
	
	while ((GET32(ARM_INTERRUPT_IRQ_BASIC_PENDING) & 1) == 0) {
		// Waiting For Interrupt
		asm volatile ("wfi");
	}

	// Disable ARM Timer IRQ
	PUT32(ARM_INTERRUPT_DISABLE_BASIC_IRQS, 1);

	return mrb_nil_value();
}

コメントにある通りだけど、割込みを設定して、ARM_INTERRUPT_IRQ_BASIC_PENDING のフラグを見つつ、セットされるまでは wfi 命令で継続的に眠る、というようにしてみた。他に割込みを設定していないので、while は1回で抜けるつもり……

wfi 命令はオプショナルな命令らしく、ハードによっては nop として解釈されるらしい。なのでこのような実装の場合、フラグをポーリングするようなコードを併用したほうが安全そう。

というか、実際 wfi 命令がちゃんと動いているかを確かめる方法が面倒くさい。電流を測るしかなさそう。電流を今回測るところまでやってないので、ちゃんと動いてないのかもしれない。ただ、挙動として割込みをポーリングで待つ、というのはできいてるっぽい。

どうでもいいけど wfi で検索しても wifi 扱いされてだいぶウザい。

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//#!gcc -O0

#include <stdio.h>

int main (int argc, char *argv[]) {

        int a;
        int b;

        a = 0; b = 3;

        asm volatile (
                "mov r0, %[x];"
                "mov %[x], %[y];"
                "mov %[y], r0;"
                : [x] "+r" (a), [y] "+r" (b)
                :
                : "r0"
        );

        printf("a=%d, b=%d\n", a, b);

        return 0;
}

asm でやる必要は全然ないけど inline asm の文法が意味不明なのでちょっと書いてみた。

asm( code : output list : input list : clobber list)

という文法らしいけど、パっと見さっぱりわからない。上記の例(値の交換)だと

• a と b どちらも読み書きが必要なので、output リストのほうで + (read/write) をつける。r はレジスタの意味らしい。
• operand の指定は名前で行っている。角括弧を使うと名前で指定できるみたい
• input list は空 (output list で read/write を指定しているので input として指定する必要はない)
• clobber list というで、このコードによって上書きされるレジスタを指定する
  • これを指定しないと、意図せず他の変数のレジスタを破壊してしまったりする (GCC はどのレジスタが破壊されるかがわからないから、破壊されるレジスタに変数を割り当ててしまう)
  • 指定することで、GCC はそのレジスタを一旦退避させたりできる

このページが比較的わかりやすい。

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