# Lab 0: Environment

## Hardware
| hardware | 型號與架構 | 描述 |
|---|---|---|
| mather board | BCM2837 | SoC(System on a chip)，這樣的主機板透過 memory-mapped register 去使用所有的裝置 |

- 與週邊裝置溝通：
透過 [BCM2837 ARM Peripherals manual](https://github.com/raspberrypi/documentation/files/1888662/BCM2837-ARM-Peripherals.-.Revised.-.V2-1.pdf) 查詢每個裝置的 devices register 中的位元代表什麼意思，device register 只有 32bit
>[!Important] **手冊中的 base address 為 `0x7E000000` ，但是我們卻使用 `0x3F000000`**
>
>Broadcom SoC 使用 VideoCore（GPU） 作為主要管理核心，GPU 是系統初始化時的主控方，透過**匯流排(bus)** 存取各種外設。所以 SoC 的文件、register map、peripheral base address 都以 GPU 為基準。
>在這個架構中：
>- GPU sees peripherals(週邊設備) at `0x7E000000`
>- ARM CPU sees peripherals at `0x3F000000`（Pi 2/3）
>
>Raspberry Pi 在啟動時（透過 bootloader 或 firmware）會把 peripheral 的 bus address 映射（memory map）到 ARM CPU 的實體記憶體空間。

- UART:
UART(Universal asynchronous receiver-transmitter) 是一種異步序列通信協定：
- Asynchronous 異步：傳輸資料時不需要時脈線（clock），靠雙方約定好的 baud rate（傳輸速率）。
- 序列：一個位元一個位元地送（不像 I²C 或 SPI 一次幾位）。
- Universal 通用：幾乎所有嵌入式裝置都支援 UART。

## Cross Compiler
:::success
**:bulb: Todo: Install a cross compiler on your host computer.**
:::
1. [下載 corss compiler](https://developer.arm.com/-/media/Files/downloads/gnu/14.2.rel1/binrel/arm-gnu-toolchain-14.2.rel1-x86_64-aarch64-none-elf.tar.xz)
- Host platform : x86_64 Linux
- target platform : AArch64 ELF bare-metal

---

[Arm 官方釋出的交叉編譯器套件](https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads) 網頁中的下載選項：

- Hosted platform (在哪裡執行 compiler)：
| Hosted platform | 說明 |
| ------------------- | -------------------------------- |
| Windows（如 mingw-w64-i686）| 表示這個編譯器是在 32 位元 Windows 上執行的 |
| x86_64 Linux | 在 64 位元 Linux 上執行 |
| AArch64 Linux | 在 64 位元 ARM Linux 上執行（例如某些伺服器或高階 SBC） |

| 部分 | 意思 |
| --------- | -------------------------------------------------------------------- |
| mingw | MinGW（Minimalist GNU for Windows）提供 GNU 工具鏈在 Windows 上的移植版本 ，老版本，僅支援 32-bit Windows，功能較少|
| mingw-w64 | mingw 的延伸版本，支援 64 位元（x86\_64）與 32 位元（i686）Windows，並提供更完整的 API 標頭檔與功能，新版，支援 32-bit 與 64-bit，且功能更完整|

- Target platform (編譯出來的程式要跑在哪裡)：
GNU 工具鏈（如 GCC、binutils）用來指定 **「目標平台」** 的四元組（也可算三元組 + ABI）格式，語法大致為`<目標架構>-<廠商>-<目標作業系統>-<ABI>` 如 `aarch64-none-linux-gnu` 。

*(ABI（Application Binary Interface，應用程式二進位介面）是一種規範，它定義了「已編譯程式碼之間如何互相溝通」。例如，假設設寫了一個 C 程式，呼叫了系統的 printf ，你的程式和 glibc 的 printf 必須使用相同的 ABI，否則在編譯時沒問題，但執行會錯誤或當機。)*

| ABI 名稱 | 說明 |
| ------------------- | -------------------------------- |
| eabi | ARM 的嵌入式二進位介面（Embedded ABI） |
| gnueabi | 使用 glibc 並遵循 eabi 的 Linux 工具鏈 |
| gnueabihf | 與上面相同，但支援「硬體浮點」 |
| ms\_abi / sysv\_abi | x86\_64 Windows vs Linux 的呼叫規則差異 |
| elf | 強調產出格式是 ELF（用於裸機、kernel、bootloader），但不特指某個 ABI 標準 |

| 架構 | 位元數 | 意義 (代表 CPU) |
| ------ | --- | -----|
| x86 | 32 | 統稱 32-bit x86 架構， 可包含 i386～i686 |
| x86-64 | 64 | 又叫做 AMD64、Intel 64、x64， 現代主流桌機與筆電使用 |
| i386 | 32 | 早期 x86 32 位元，支援最廣泛的 32-bit 平台 ，(Intel 80386（1985)， 最早期支援 32-bit 的處理器 |
| i686 | 32 | 向後相容舊 32-bit 軟體，(Pentium Pro/Pentium II/III)， 更現代的 32-bit 處理器，效能較佳 |
| AArch64 | 64 | 64-bit ARM 架構 |

## Emulate Raspberry Pi
:::success
:bulb: **Todo: Install `qemu-system-aarch64`**
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1. Download QEMU

    apt-get install qemu-system

## From Source Code to Kernel Image
:::success
**:bulb: Todo: Build your first kernel image, and check it on QEMU.**
:::
1. Create boot stub `a.S`, linker `linker.ld`
- `a.S`

        .section ".text"
        .global _start
        _start:
            wfe
            b _start

- `_start` 是執行起點（entry point），會在系統加電後第一時間被 CPU 執行。
- `wfe` 讓 CPU 進入低功耗等待模式，arm 特有指令。
- `b _start` 則形成一個無限迴圈，防止程式結束（裸機程式一旦結束沒有地方可去，會 crash）。

- `linker.ld`

        SECTIONS
        {
          . = 0x80000;
          .text : { *(.text) }
        }

- `SECTIONS { ... }` 這是連結器腳本的主體，用來描述各段（如 .text、.data、.bss）如何放入目標映像中。
- `. = 0x80000` 這行設定 當前輸出位址（location counter） 為 0x80000，即將以下定義的段（這裡是 .text）從記憶體位址 0x80000 開始放置。*（硬體的記憶體空間有實體限制與特殊用途，例如 0x00000000 是 ROM，0x80000000 是 RAM。）*
- `.text : { *(.text) }` 建立一個 .text 段。段的內容是來自所有輸入檔案中 .text 段的合併（透過萬用字元 * 表示所有檔案）

- **在 Raspberry Pi 或大多數嵌入式平台開機順序如下：**
[ROM code (SoC 內建)] →
[Firmware (如 rpi bootcode.bin)] →
[Bootloader (可選，例如 U-Boot)] →
[Boot Stub (kernel image 的起點)] →
[Kernel main 或裸機程式]

- **Boot Stub vs Bootloader 差異比較**

| 特徵 | Boot Stub | Bootloader |
| ---- | ------------------------ | -------------------------------- |
| 對象 | 是你編譯出來 binary 的最前面幾行 | 是獨立一個 binary，通常在 boot ROM/SD 卡前段|
| 負責項目 | 設定 stack、清除 BSS、跳 main | 初始化硬體、載入 kernel、跳轉 |
| 大小 | 通常很小（數十 Bytes） | 可從幾 KB 到數百 KB |
| 進階功能 | 沒有，純粹初始化與跳轉 | 有（Console、下載、載入 image、設定環境變數）|
| 語言 | 通常組語 | 可使用 C 語言（stage2） |
| 例子 | `_start:` in `startup.S` | U-Boot、rpi-boot、TF-A |
2. From Source Code to Object Files

    aarch64-none-elf-gcc -c a.S

3. From Object Files to ELF

    aarch64-none-elf-ld -T linker.ld -o kernel8.elf a.o

- kernel8 意思是 ARMv8
4. From ELF to Kernel Image

    aarch64-none-elf-objcopy -O binary kernel8.elf kernel8.img

5. Check on QEMU

    qemu-system-aarch64 -M raspi3b -kernel kernel8.img -display none -d in_asm

- `-d in_asm`
啟用 debug trace 輸出模式，這裡選擇 in_asm，表示顯示 CPU 執行的指令反組譯（disassembly）