Tockの起動

このドキュメントでは、Tockのすべてのコンポーネントがどのようにして起動するのかを説明します。

Tockの起動

マイクロコントローラが起動（または、リセット、割り込みが発生）すると、割り込みの種類により索引化されている_ベクタテーブル_と呼ばれている表から関数のアドレスをロードします。メモリ内のベクタテーブルの位置はチップ固有のものであり、リンク用の特別なセクションに配置されています。

Cortex-Mマイクロコントローラでは、ベクタテーブルがアドレス0x00000000にあることが想定されています。これはソフトウェアブートローダかTockカーネル自体のいずれかになります。

RISC-Vでは起動の仕方についてハードウェア設計者が非常に自由に設計することができます。通常、RISC-Vプロセッサはリセット後、ROMから実行を開始しますが、これは設定可能です。たとえば、HiFive1ボードは、ROM、ワンタイムプログラマブル(OTP)メモリ、QSPIフラッシュコントローラからのブートアウトをサポートしています。

オプションのブートローダ

多くのTockボード（Hailとimixを含む）は、MCUが最初に起動したときに実行されるソフトウェアブートローダを使用します。ブートローダは、シリアルを介したチップとの対話、新しいコードのロード、その他の管理タスクの実行をするための手段を提供します。ブートローダが終了すると、MCUにベクトルテーブルが（既知のアドレスに）移動したことを伝え、新しいアドレスにジャンプします。

Tockの最初の命令

ARMのベクタテーブルとIRQテーブル

ARMチップにおいて、Tockはベクトルテーブルを2つのセクションに分割します。 .vectorsはすべてのARMコアに共通の最初の16エントリを保持し、.irqsはその後ろに追加され、チップ固有の割り込みを保持します。

ベクタテーブルはソースコードでは.vectorsセクションに配置されるようにマークされた配列として現れます。

Rustではベクタテーブルは次のようになります。


#![allow(unused)]
fn main() {
#[link_section=".vectors"]
#[used] // 最終的なバイナリになるまでシンボルが保持されることを保証する
pub static BASE_VECTORS: [unsafe extern fn(); 16] = [
    _estack,                        // スタックポインタの初期値
    tock_kernel_reset_handler,      // Tockのリセットハンドラ関数
    /* NMI */ unhandled_interrupt,  // 一般ハンドラ関数
    ...
}

Cではベクタテーブルは次のようになります。

__attribute__ ((section(".vectors")))
interrupt_function_t interrupt_table[] = {
        (interrupt_function_t) (&_estack),
        tock_kernel_reset_handler,
        NMI_Handler,

これの執筆時点（2018年11月）において、主要なチップ（sam4Lやnrf52 など）はすべての割り込みに対し同じハンドラを使用しています。それは、次のようになります。


#![allow(unused)]
fn main() {
#[link_section = ".vectors"]
#[used] // Ensures that the symbol is kept until the final binary
pub static IRQS: [unsafe extern "C" fn(); 80] = [generic_isr; 80];
}

RISC-V

すべてのRISC-Vボードは、reset_handlerにジャンプする前に実行する最初の関数として_start関数がリンクされています。これは、この記事を書いている時点ではインラインアセンブリです。


#![allow(unused)]
fn main() {
#[cfg(all(target_arch = "riscv32", target_os = "none"))]
#[link_section = ".riscv.start"]
#[export_name = "_start"]
#[naked]
pub extern "C" fn _start() {
    unsafe {
        asm! ("

}

リセットハンドラ

起動時、MCUはベクトルテーブルで定義されているリセットハンドラ関数を呼び出します。Tockでは、リセットハンドラ関数の実装はプラットフォーム固有のものであり、各ボードごとにboards/<board>/src/main.rsで定義されています。

メモリの初期化

リセットハンドラが最初に行う操作は、カーネルメモリをフラッシュからコピーしてセットアップすることです。SAM4Lの場合、これはchips/sam4l/src/lib.rsにあるinit()関数にあります。

RISC-Vトラップのセットアップ

RISC-Vではトラップを処理するためにmtvecレジスタを設定する必要があります。ベクタの設定はチップ固有の関数で処理されます。一般的なRISC-Vのトラップハンドラは、arch/rv32i/src/lib.rsで定義されている_start_trapです。

MCUセットアップ

通常、一般的なMCUの初期化が次に処理されます。これには、正しいクロックの有効化やDMAチャンネルの設定などが含まれます。

MCUのセットアップが終わるとreset_handlerはペリフェラルとカプセルを初期化します。ペリフェラルはUART、ADC、SPIバスなどのオンチップサブシステムです。これらはメモリマップドI/Oレジスタを読み書きするチップ固有のコードであり、対応するchipsディレクトリにあります。ペリフェラルはチップ固有の実装ですが、通常、kernel/src/hilにあるHIL(Hardware Independent Layer)トレイトと呼ばれるハードウェアに依存しないトレイトを提供しています。

カプセルはソフトウェアの抽象化とサービスです。これらはチップに依存しないものであり、capsulesディレクトリにあります。たとえば、imixとhail プラットフォームでは、SAM4L SPIペリフェラルはchips/sam4l/src/spi.rs で実装されており、SPIを仮想化して複数のカプセルでSPIの共有を可能にするカプセルはcapsules/src/virtual_spi.rsにあります。この仮想化はチップ非依存にします。チップ固有のコードがSPI HILを実装しているからです（kernel/src/hil/spi.rs）。プロセス用のSPIへのシステムコールAPIを実装しているカプセルはcapsules/src/spi.rsにあります。

多くのペリフェラルやカプセルを初期化するボードは、reset_handlerからこの複雑さをカプセル化するためにComponentトレイトを使用しています。 Componentトレイト(kernel/src/component.rs) は、特定のペリフェラル、カプセル、カプセルセットが必要とする初期化を関数finalize()の呼び出しとしてカプセル化します。これにより、カーネルビルドに含まれるものの変更するために、reset_handlerを何行も変更せずに、初期化するコンポーネントを変更だけですみます。コンポーネントは通常、/boardsフォルダのcomponents クレートにありますが、ボード固有のためボードディレクトリのcomponents サブディレクトリ、たとえば、boards/imix/src/imix_componentsにある場合もあります。

アプリケーションの起動

カーネルコンポーネントのセットアップと初期化が完了したら、アプリケーションをロードしなければなりません。この手順は基本的にフラッシュに格納されているプロセスごとに繰り返され、Tockバイナリフォーマットヘッダの抽出と検証、プロセス構造体の内部配列への追加が行われます。

このループの例としては、load_processes()関数としてkernel/src/process.rsにあります。ポインタを設定した後、フラッシュ内の開始アドレスと指定のメモリ残量からプロセスの作成を試みます。ヘッダが検証されると、プロセスをメモリにロードし、プロセスに関連付けられたカーネル内のすべてのブックキーピングの初期化を試みます。プロセスがチップ上で利用可能なメモリよりも多くのメモリを必要とする場合、これは失敗する可能性があります。プロセスが正常にロードされた場合、カーネルはプロセスの起動時に呼び出されるアプリケーションのエントリ関数のアドレスを記録します。

このプロセスロードの繰り返しは、カーネルがプロセスを格納するために静的に割り当てたメモリかプロセスに利用可能なRAMを使い果たした場合、またはフラッシュに無効なTBFヘッダがあった場合は終了します。

スケジューラの実行

Tockは、さまざまなスケジューリングアルゴリズムのプラグインを可能にする抽象化として機能するSchedulerトレイトを提供しています。スケジューラはリセットハンドラの最後に初期化される必要があります。リセットハンドラが最後にしなければならないことは、kernel.kernel_loop()の呼び出しです。これは Tockスケジューラとカーネルのメイン操作を開始します。

Tockドキュメント