連載2-SOLIDのMMU使いこなしー１
前回は、MMUを使う事によって可能となる、便利なデバッグ機能を少しご紹介しました。
これから、SOLIDの特徴を踏まえ、深堀をしていきます。
１．ＭＭＵは怖い？
筆者は、ルネサス製（当時は日立製作所製）SH-4シリーズで、初めてMMUに触れました。
最初は、何が便利なのかよくわからなかったのですが、結局のところ、簡単に言うと、
・アドレス変換テーブルを途中で入れ替えることで、物理メモリリソースを無限に使用できる（理論上は）
・マルチプロセスの実現に便利
という利点があると理解しました。
で、規模の大きなOS向けだな、と。LinuxとかWindowsCE(懐かしい)とか。
当時、リアルタイムOS絡みの仕事が多かったので、まぁ自分には関係ないや、と思っていました。
論理アドレス＝物理アドレスの空間で十分足りるし。
スレッドの数もそんなに多くないし。
確かに、MMUには別のメリットがあることも承知していました。
・メモリ空間の属性付加（ライト禁止、等）
・例外処理
まぁでもMMUをあえて積極的に使う、という事は、今まで特にありませんでした。
なにしろ、MMUのテーブルを下手に触ると、CPUがハングアップする！
MMUのテーブルを間違い一つもなく設定しない限り、CPUがハングアップするんですよね。
それって、ICEもハングアップするから、デバッグできない。
ハマりはじめると、終わりが見えない。
開発というものは、大体において、時間的に余裕ないですよね。
なので、そんなリスクは侵したくない。
と、いう事で、実はあまりMMUを積極的に使ったことはありませんでした。
理由は、「怖い」から。。。
２．MMUが怖くないSOLID ①
前回にも書きましたが、SOLID-IDE側でOSと連携して、内部的にMMUを使って実現する機能があります。
・NULLポインタアクセス発生を検出しブレーク
・スタックオーバーフロー発生を検出しブレーク
前回は紹介しませんでしたが、他にもあります。
・アドレスサニタイザ機能
コンパイラと連携し、配列オーバーフロー等、不正なメモリアクセスを検出しブレーク
デバッガを使う側の私たち、これらの機能を使うためにMMUを意識する必要はありません。
「ＭＭＵを意識せずに使える」のは有難い。
３．MMUが怖くないSOLID ②
加えて。
メモリ空間にリードオンリ属性を設定したかったり、範囲外のアクセスで例外発生して欲しかったり、します。
コード領域に不正書き込み、発生して欲しくない。
スタック領域、オーバーフローしたくない。
SOLIDでは、MMUのテーブルをGUIで視覚的に構築することができます。
そこまでなら、まぁそういうのもあるだろうね、なのですが。。。
実は、GUIで作成したMMUテーブルの情報をリンカに伝えてくれます。
大事なことなのでもう一度言います。
GUIで作成したMMUテーブルの情報をリンカに伝えてくれます。
めちゃ便利じゃないですか？
４．SOLIDとは
ここで軽く、SOLIDとはどのようなものか、についてご紹介します。
ARM Cortex-Aに特化したリアルタイムOSと開発環境がセットとなった、統合開発環境です。
OS、ビルドシステム、デバッガがセットで作られていることが特徴で、片方だけでは実現し得ない、便利な機能が搭載されています。
すぐに使ってみたい！という場合、前回のRust連載で使用した、Raspberry Pi 4用のSOLIDがあります。
Raspberry Pi 4用のSOLID は、OSとIDEが完全に無料です。
そのため、機能には制限があります。例えばMMUのテーブルを設定するGUIはサポートされていません。
ですが、SOLIDがどのようなものなのか、使ってみようという「導入用」には、非常に便利です。
SOLIDを導入するため費用等、詳しい事は、以下URLをご参照ください
５．GUIでMMUアドレス変換テーブル設定
前置きが長くなりました。
実際、見てみましょう！
前回のRust連載で、さんざん使用した、Raspberry Pi 4用のSOLIDではなく、今回は別のCortex-A9搭載ボード×PARTNER Jet2の組み合わせで見てみます。
まず、サンプルのプログラムを実行し、ルートタスクの先頭でブレークしてみました。
逆アセンブルウインドウから、このブレークポイントが設定されている命令の実行アドレスは0x800104D4だそうです。
早速MMUの変換テーブルをGUIで見てみましょう。
ソリューションエクスプローラにある、memory_map.smmファイルをダブルクリックします。
すると、MMUの変換テーブルを示す[メモリマップデザイナ]ウインドウが開きます。
この赤で囲ったところが、論理アドレス0x80000000の領域です。
これが現在ブレークポイントで止まっているエリアですね。
ちなにみ、テーブルだけでなく、メモリマップの形でも表示されます。
使われていない領域は「NOT USED AREA」と表示されています。
じゃ、次は、対応する論理アドレスを変更してみましょう。
0xC0000000のあたりは使われていないようですので、そちらに変更してみましょう。
[メモリマップデザイナ]ウインドウ上で、変更ができます。
変更してみました。
ビルドしてみましょう。
ビルドが通ったので、実行してみましょう。
先程と同じブレークポイントでブレークさせます。
実行アドレスが0xC00104D4に代わりましたね。
実行アドレスが変わっている、という事は、ポイントが二点あります。
・リンカへの反映
[メモリマップデザイナ]ウインドウで書き換えた新論理アドレス値にしたがって、ロードモジュールのアドレスが0x80000000空間から0xC0000000空間に変更してリンクされている。
・MMUアドレス変換テーブルへの反映
新論理アドレス(0xC0000000空間)に対応する物理アドレスが、きちんとMMUの変換テーブルに登録されている。
これら二点、どうやって実現されているのでしょうか。
６．GUIでMMUアドレス変換テーブル設定の仕組み
仕組みを見ていきましょう。
先程、[メモリマップデザイナ]ウインドウを起動するために、memory_map.smmファイルをダブルクリックしました。
このファイルを見てみます。
以下の行に注目しましょう。
<MemoryConfiguration Name="SOLID" Description="SOLID_CORE" PhysicalAddress="0x40000000" Size="0x02000000" Attribute="SOLID_CORE" VirtualAddress="0xc0000000" />PhysicalAddress="0x40000000" を、
Size="0x02000000" 分、
VirtualAddress="0xc0000000" と対応させる
と、書かれています。
論理アドレス、先程変更した0xC0000000になっていますね。
さて、次。
先程、書き換えた直後にビルドしましたね。
ビルドの際に、memory_map.smmファイル内容をC言語の配列に置き換えています。
一時フォルダの中に、配列を格納したファイルがありました。
これですね。
SOLID-OSは、この配列にしたがって、MMUアドレス変換テーブルを初期化します。
さらに、同じ一時フォルダの中に、リンカ向けに各アドレスを教えていそうなファイルがありました。
リンカはこの定義を使用して、配置すべきアドレスを取得し、リンクを行っています。
この仕組みで、変更したアドレス変換テーブルの値がリンカにまで伝わっているのですね。
詳しくは、以下URLをご参照ください。
https://solid.kmckk.com/SOLID/doc/latest/user_guide/mmu.html
７．まとめ
SOLIDでは、OS、ビルドシステム、デバッガそれぞれにＭＭＵに対する処置がなされています。そしてそれらが完全に連携でき、使う側にとっては非常に助かる機能が実現されている、というわけですね。
この新連載では、そういった機能についてどんどんご紹介していければ、と思っています。
次回も引き続き、SOLIDのMMU使いこなしを深堀していく予定です。
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