Bibliotecas padrão C em bare metal

Estou desenvolvendo principalmente dispositivos que portam o Linux, para que a biblioteca C padrão ofereça muita funcionalidade através da implementação de chamadas do sistema com comportamento padronizado.

No entanto, para o bare metal, não há SO subjacente. Existe um padrão relacionado a como a biblioteca de CA deve ser implementada ou você precisa reaprender a peculiaridade de implementações de uma biblioteca quando muda para uma nova placa que fornece um BSP diferente?

Sim, existe um padrão, simplesmente a biblioteca padrão C . As funções da biblioteca não requerem um sistema operacional "completo" ou qualquer sistema operacional, e existem várias implementações disponíveis sob medida para o código "bare metal", o Newlib talvez seja o mais conhecido.

Tomando o Newlib como exemplo, é necessário que você escreva um pequeno subconjunto de funções principais, principalmente como os arquivos e a alocação de memória são tratados no seu sistema. Se você estiver usando uma plataforma de destino comum, é provável que alguém já tenha feito esse trabalho por você.

Se você estiver usando linux (provavelmente também OSX e talvez até cygwin / msys?) E digite man strlen, ele deve ter uma seção chamada algo como CONFORMING TO, que informaria que a implementação está em conformidade com um padrão específico. Dessa forma, você pode descobrir se algo que você está usando é uma função padrão ou se depende de um sistema operacional específico.

Existe um padrão relacionado a como a biblioteca de CA deve ser implementada ou você precisa reaprender a peculiaridade de implementações de uma biblioteca quando muda para uma nova placa que fornece um BSP diferente?

Primeiro, o padrão C define algo chamado de implementação "independente", em oposição a uma implementação "hospedada" (que é o que a maioria de nós conhece, a gama completa de funções C suportadas pelo sistema operacional subjacente).

Uma implementação "autônoma" precisa definir apenas um subconjunto dos cabeçalhos da biblioteca C, ou seja, aqueles que não precisam de suporte ou mesmo a definição de funções (eles apenas fazem #defines e typedefs):

• <float.h>
• <iso646.h>
• <limits.h>
• <stdalign.h>
• <stdarg.h>
• <stdbool.h>
• <stddef.h>
• <stdint.h>
• <stdnoreturn.h>

Ao dar o próximo passo em direção a uma implementação hospedada, você descobrirá que existem muito poucas funções que realmente precisam interagir com o "sistema" de qualquer forma, com o restante da biblioteca sendo implementável sobre essas "primitivas" " Ao implementar o PDCLib , fiz um esforço para isolá-los em um subdiretório separado para facilitar a identificação ao transportar a lib para uma nova plataforma (exemplos para a porta Linux entre parênteses):

• getenv()( extern char * * environ)
• system()( fork()/ execve()/ wait())
• malloc()e free()( brk()/ sbrk())
• _Exit()( _exit())
• time() (ainda não implementado)

E para <stdio.h>(sem dúvida o mais "envolvido em SO" dos cabeçalhos C99):

• alguma maneira de abrir um arquivo ( open())
• alguma maneira de fechá-lo ( close())
• alguma maneira de removê-lo ( unlink())
• alguma maneira de renomeá-lo ( link()/ unlink())
• alguma maneira de escrever para ele ( write())
• alguma maneira de ler ( read())
• alguma maneira de reposicionar dentro dele ( lseek())

Certos detalhes da biblioteca são opcionais, com o padrão apenas oferecendo a implementação de uma maneira padrão, mas não tornando essa implementação um requisito.

• A time()função pode legalmente retornar apenas (time_t)-1se não houver mecânica de controle de tempo disponível.

• Os manipuladores de sinal descritos para <signal.h>não precisam ser invocados por outra coisa que não seja uma chamada para raise(), não há nenhum requisito de que o sistema realmente envie algo semelhante SIGSEGVao aplicativo.

• O cabeçalho C11 <threads.h>, que é (por razões óbvias) muito dependente do sistema operacional, não precisa ser fornecido se a implementação definir __STDC_NO_THREADS__...

Existem mais exemplos, mas não os tenho em mãos agora.

O restante da biblioteca pode ser implementado sem nenhuma ajuda do ambiente. (*)

(*) Advertência: A implementação do PDCLib ainda não está concluída, portanto, talvez eu tenha esquecido uma coisa ou duas. ;-)

O padrão C é realmente definido separadamente do ambiente operacional. Nenhuma suposição é feita sobre a presença de um SO host e as partes dependentes do host são definidas como tal.

Ou seja, o padrão C já é bastante bare metal.

Obviamente, as partes da linguagem que tanto gostamos, as bibliotecas, costumam ser o local onde a linguagem principal empurra essas coisas específicas. Portanto, o material típico do compilador cruzado "xxx-lib" encontrado para muitas ferramentas de plataforma bare metal.

Exemplo mínimo executável newlib

Aqui, forneço um exemplo altamente automatizado e documentado que mostra newlib em ação no QEMU .

Com o newlib, você implementa suas próprias chamadas de sistema para sua plataforma baremetal.

Por exemplo, no exemplo acima, temos um programa de exemplo exit.c:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void main(void) {
    exit(0);
}

e em um arquivo C separado common.c, implementamos o exitcom semi - hospedagem ARM :

void _exit(int status) {
    __asm__ __volatile__ ("mov r0, #0x18; ldr r1, =#0x20026; svc 0x00123456");
}

Os outros syscalls típicos que você implementará são:

• writepara produzir resultados para o host. Isso pode ser feito com:

  • mais semi-hospedagem
  • um hardware UART

• brkpara malloc.

  Fácil no baremetal, já que não precisamos nos preocupar com paginação!

TODO Gostaria de saber se é realista alcançar a execução de syscalls de agendamento preventivo sem entrar em um RTOS completo, como Zephyr ou FreeRTOS .

O interessante do Newlib é que ele implementa todas as coisas específicas que não são do SO, como string.hpara você, e permite implementar apenas os stubs do SO.

Além disso, você não precisa implementar todos os stubs, mas apenas os necessários. Por exemplo, se o seu programa precisar apenas exit, você não precisará fornecer a print.

A árvore de origem Newlib já possui algumas implementações, incluindo uma implementação de semi-hospedagem do ARM newlib/libc/sys/arm, mas, na maioria das vezes, você precisa implementar suas próprias. No entanto, fornece uma base sólida para a tarefa.

A maneira mais fácil de configurar o Newlib é criar seu próprio compilador com o crosstool-NG, basta dizer que você deseja usar o Newlib como a biblioteca C. Minha instalação lida com isso automaticamente com esse script , que usa as configurações newlib presentes em crosstool_ng_config.

Eu acho que C ++ também funcionará, mas TODO testá-lo.

Quando você o usa baremetal, descobre algumas dependências não implementadas e precisa lidar com elas. Todas essas dependências são sobre o ajuste interno de acordo com a personalidade do seu sistema. Por exemplo, quando tentei usar sprintf (), que usa malloc () dentro. O Malloc possui o símbolo da função "t_sbrk" como um gancho no código, que deve ser implementado pelo usuário para impor as restrições de hardware. Aqui eu posso implementá-lo ou criar meu próprio malloc () se achar que posso fazer um melhor para o hardware incorporado, principalmente para outros usos, não apenas para o sprintf.