すｚのAVR研究: AVR Toolchain (その2)

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2011年03月23日

AVR Toolchain (その2)

AVR Toolchainの記事の続き

レジストしないと入手できないバイナリの一部としてしか AVR Toolchain のバイナリは存在しないようだ。
しかも全体が巨大になってきている。まだβだが、AVR Studio 5 なんて 500MB 超。さらに、avrtiny10 の対応がイマイチで、何度か入れ替えないといけなさそうな感じがする。

幸い、古そうなものの、パッチ集が見つかったので自分でビルドしてみることにした。

準備

mpfr , gmp をスタティックリンクしているので、一応書く必要がある。

両方とも


    ./configure --prefix=/mingw
    make; make install

これでインストールしている。使ったバージョンは、 mpfr-2.4.2 と gmp-4.3.2 だったり mpfr-2.4.1 と gmp-5.0.1 だったり。

gettext, libiconv については下記参照。

binutils

binutils のパッチは、binutils-2.20.1 に対するもの。binutils-2.20.1 を入手しパッチを全部当てたものに

としてビルドを試みた。make doc できる環境がないので bfd でエラーになるが、bfd/Makefile を修正して先に進む。(doc po となっている所の doc を削除)

次に、ld でエラーになる。eavrtiny10.o がないという旨のエラー。これは、ld/Makefile.in にルールが入っていないためと分かった。ちなみに ld/Makefile.am には入っているが、反映されない。
avrxmega7 と同じように avrtiny10 のルールを追加すれば OK だった。

これでビルド完了。make install も OK 。

gcc

gcc のビルドで難儀していたのだが、ここに情報があった。

--with-build-time-tools が，忘れがちですけど重要
(as や ld があるディレクトリを指定する模様)
make は、MSYSのバイナリを使え

とのこと。
ちなみに、atmel の avr-gcc に対して avr-gcc -v とするとそれを作ったときの configure オプションが分かる。

make をインストールして

とやってビルドを試みた。

--enable-fixed-point したおかげで、巨大な libgcc.a が生成され時間もものすごくかかる。

さらに、ar でエラーになる。具体的には libgcc.a の生成が avr25 avr30 と成功して avvr31 でメモリ不足。(ヒープが取れない？ Win32 error 487)

ググると

という解決方法と rebase 使って

とかする解決方法が見つかった。

regtool が見つからないし、見つかったとしても使っている MSYS が古いので不安がある。安全そうな後者を選んだ。だが、効果がないような？バイナリは出来ていて libgcc が作れないだけだしひどく時間がかかるので、linux 版からコピーすることに。

avr-libc

avr-libc のパッチは 1.7.0 に対するものが存在しているが、既に 1.7.1 が出ており、対応済みの模様。すなおに、1.7.1 を使う。


   ./configure --build=`config.guess` --host=avr --prefix=/c/AVR_Toolchain

configure はこう。

autoconf

automake

ビルド完了

これでビルドすることができた。.. が多々問題があることが分かり自製パッチを作成してバイナリを作ることにした。

出来たもの

AVR_Toolchain-20110409-win.tar.gz -- Windows 版 (27MB)
AVR_Toolchain-20110409-lin.tar.gz -- Windows 版 (25MB)
AVR_Toolchain-20110409-src.tar.gz -- パッチ集

4/21 版 (アップデート)
AVR_Toolchain-20110421-src.tar.gz -- パッチ集
(バイナリ準備中)

展開すると AVR_Toolchain をトップディレクトリとして、展開される。これを好きなところに展開して (rename しても良い ) bin にパスを通せば OK 。

使ったパッチは、source ディレクトリに置いてある。あと Windows 版には必要になった dll もいれてある。

dll のソースまで入れていない。元は上記から取ってきたもの。ひょっとしたら違う環境では足りない dll が出るかも。上記の Tree にあるはず。

ちなみに、lzma は、7-zip で解凍できる。

バイナリを使う人がいるかどうか分からないが、一応置いておく。

追記: avrtiny10 対応の分析

多くの人は興味がないだろうが、私に取っては最大の興味事。どんな風に対応しているのかちょっと見てみることにする。

まずは gcc 。avrtiny10 は、メインのパッチと 2 つのバグ修正パッチから成っている。


   2441 54-gcc-4.4.3-avrtiny10.patch
     43 55-gcc-4.4.3-avrtiny10-bug-12510.patch
     48 62-gcc-4.4.3-avrtiny10-non-fixedpoint.patch

メインのパッチは、2441 行もあるが、その内訳は、


   1680    gcc/config/avr/avr.c
     98    gcc/config/avr/avr.h
     31    gcc/config/avr/avr.md
    443    gcc/config/avr/libgcc-fixed.S
    160    gcc/config/avr/libgcc.S
     29    gcc/config/avr/t-avr

md が少ないのは意外だが、プリミティブは avr.c に集約されている。

基本的に元のコードを修正して attiny10 の場合はこう、そうでなければ元のコードという形が多い。だから純粋な修正量はパッチの 1/3 ぐらいに見積もれる。

libgcc-fixed.S は多いが、結局 disable にされていて使っていない。libgcc.S の修正は、sbiw を subi + sbci に直しているような所が多い。

さて、avr.c の修正をちょっと見てみる。MAX_LD_OFFSET 周りが目立つ。あとは、adiw/sbiw 対応とか。同じような修正が沢山入っているだけという印象がある。

感触としては、自分で直せそうな感じ。ただし、全然違う修正が必要になった場合だいぶ難儀しそう。

ところで、lds/sts 自体を変更しているところが見あたらない。どうも binutils の as で対応することを期待しているように思える。
binutils にも


    52-binutils-2.20.1-avrtiny10.patch

がある。内訳は次のようになっている。


    11   bfd/archures.c 
    11   bfd/bfd-in2.h
    15   bfd/cpu-avr.c
    25   bfd/elf32-avr.c
    50   gas/config/tc-avr.c
    11   include/elf/avr.h
    45   include/opcode/avr.h
    22   ld/Makefile.am
     0   ld/Makefile.in
    12   ld/configure.tgt
    16   ld/emulparams/avrtiny10.sh

ほとんどは、単にアーキテクチャの追加のためのコード。
lds/sts に対応するとすれば、include/opcode/avr.h になる。これには、なにやら修正は入っているのだが、対応は入っていない。


   AVR_INSN (sts,  "i,r", "1001001ddddd0000", 2, AVR_ISA_SRAM, 0x9200)
   AVR_INSN (lds,  "r,i", "1001000ddddd0000", 2, AVR_ISA_SRAM, 0x9000)

この部分だが、条件を変更しただけ。これよくよく見ると AVR_ISA_SRAM は、SRAM 持っているアーキテクチャの意味で 2word LDS/STS を持っていることになっている。

例えば、AVR_ISA_LDS1 と AVR_ISA_LDS2 を追加して、include/opcode/avr.h を定義しなおすことは比較的簡単そうだ。だが、それをパーズするコードが必要なわけで、gas/config/tc-avr.c と opcodes/avr-dis.c にコードを追加しなくてはならない。あと ldd/std と重なる部分があるから何か対応しないといけない。-- これはちょっと面倒そうなので、パス。


       if (info->mach == bfd_mach_avrtiny10 )


  AVR_INSN (out,  "P,r", "10111PPrrrrrPPPP", 1, AVR_ISA_1200, 0xb800)
  AVR_INSN (in,   "r,P", "10110PPdddddPPPP", 1, AVR_ISA_1200, 0xb000)

  AVR_INSN (sts,  "i,r", "10101AAAddddAAAA", 1, AVR_ISA_LDS1, 0xa800)
  AVR_INSN (lds,  "r,i", "10100AAAddddAAAA", 1, AVR_ISA_LDS1, 0xa000)

そんなことより、自作 AVRコア用の定義を入れてみたい。せっかくソースコードがあるんだし。attiny40 をパッチで grep して同じように変更すれば良い。

まずは名前を決めなくては。rtavr で attiny40 もどきだから -mrtavr40 あたり？ついでだから generic な rtavr も入れておこう。あと define も __RTAVR_rtavr40__ あたりにしておくか。

avr-libc も attiny40 をゼロから入れているパッチがあるから参考になる。... と思ったら対応してなかった。まぁ 1.7.1 で attiny40 を grep すればなんとかなる。... はずが...

結構たいへん。変更するところがかなりある。configure とかも変更しないといけないし。それと crtXX と ioXX.h の名前を決めないといけない。元が crttn40.o と iotn40.h なので対応したものが crtrt40.o と iort40.h ということにしておこう。

追記: ちょっと N-Queeen をビルドしてみる。

kxavr の作者の kwhr0 さんのところの N-Queen をビルドしようとやってみた。

そうしたら 2種類のエラーが出た。

relocation truncated to fit: R_AVR_7_PCREL against `no symbol'
libc/stdio/fputc.c:41: undefined reference to `__prologue_saves__'

こういう問題があることは分かった。そして自分でビルドした AVR_Toolchain は、AVR_8_bit_GNU_Toolchain_3.1.0_200　相当だということも分かった。

さて、なにげにここに as5-beta のソースが公開されている。

ちょっと見てみたが、binutils のパッチはデバイスの追加があるが基本変更なし。avr-libc は 1.7.1 に対するもので、新デバイス追加とちょっとしたバグFIX -- avrtiny10 は無関係。

肝心の gcc は、4.5.1 対応になってしまった。..が、ざっと見たところ単純移植のような印象。まだまだのようだ。

N-Queen の命令を調べてみた。

gcc のコード生成をいじってみた。

いくつかコード生成をチューニング。
それに加えて LDS/STS を使わないコードにしてみたりしている。

適当なので、コンパイルだけはできるものの LDS/STS 周りはあまり期待できない。だが、元は 2word LDS/STS が出てしまうから attiny40 など実際のCPU では動かないのだ。

rtavr では、2word LDS/STS をサポートしたから本当はいじらない方が安全。いつでも元のコードにできるよう ifdef で切り分けてはある。

その他のコード生成は、命令数カウントを直した上で注意深く変更したつもり。
メモしておくと

XMEGA 用のコードの中にもある avrtiny10 対応コードを削除
MAX_LD_OFFSET のところの avrtiny10 対応コードは ldd 命令を機械的に変換したものだと分かったので、avrtiny10 では削除。
--R とコメントがあったところ、なにやら変なので素直なコード(ld -X/ld -X　とか) に変更。

ちょっとやりすぎか。命令数のカウントのところだけにした方が信用できる。

~~92-gcc-4.4.3-avrtiny10-fix2p1.patch~~ (削除)

これは、命令数のカウントのところだけ直した最初のもの。あと、__prologue_saves__　などを修正した　libgcc.S のパッチも入っているが、これまた適当なもの。変更する場所を示すのが目的と言っても良い程度。

__zero_reg__, __temp_reg__ の変更


#if defined (__AVR_TINY__)
        clr     __zero_reg__            ; clear zero_reg (r19)
#endif


    avr-libc-1.7.1 :
                 common/asmdef.h
    avr-gcc (4.4.3):
                 gcc/config/avr/avr.md
                 gcc/config/avr/libgcc.S
                 gcc/config/avr/libgcc-fixed.S

とりあえず整理

~~92-gcc-4.4.3-avrtiny10-fix2.patch~~ (削除)
~~91-avr-libc-1.7.1-chgtmp.patch~~ (削除)
が add2 からの差分。一応整理した。
これは lds/sts が出ない。だが色々問題ありそうなレベル。
__zero_reg__/__temp_reg__ を r18/r19 に変更してとりあえず libgcc.S と avr-libc はビルドできた。
libgcc.S では __mulhisi3, __umulhisi3, __mulsi3, __udivmodsi4 の問題が残っている。
avr-libc も disable されたものをチェックしていない。

queen_r.c はコンパイルできたが、vfprintf がないためビルドできない。
コードをチェックしてみたら、r19 を普通に使ってしまっているうえに、__zero_reg__ としても使っている。

まだまだだが、バイナリは一応置いた。
~~AVR_Toolchain-add3win.tar.gz~~ -- コード生成変更 Windows 版 (6MB)

~~AVR_Toolchain-add3lin.tar.gz~~ -- コード生成変更対応 Linux 版 (5MB)


int main() {
        int8_t i;
        char *p = (PSTR("abc") + 0x4000);

        for (i=0; i<100; i++) {
                func_a(i & 1);
        }
        func = func_a;
        while (*p) {
                PORTB = *p;
                p++;
        }
        return 0;

これでこういうコードをコンパイルしてみた。


0000006e <main>:
  37:    93df           push    r29
  38:    93cf           push    r28
  39:    932f           push    r18
  3a:    b7cd           in      r28, 0x3d       ; 61
  3b:    b7de           in      r29, 0x3e       ; 62
  3c:    e090           ldi     r25, 0x00       ; 0
  3d:    2f89           mov     r24, r25
  3e:    7081           andi    r24, 0x01       ; 1
  3f:    5fcf           subi    r28, 0xFF       ; 255
  40:    4fdf           sbci    r29, 0xFF       ; 255
  41:    8398           st      Y, r25
  42:    50c1           subi    r28, 0x01       ; 1
  43:    40d0           sbci    r29, 0x00       ; 0
  44:    dfea           rcall   .-44            ; 0x5e <func_a>
  45:    5fcf           subi    r28, 0xFF       ; 255
  46:    4fdf           sbci    r29, 0xFF       ; 255
  47:    8198           ld      r25, Y
  48:    50c1           subi    r28, 0x01       ; 1
  49:    40d0           sbci    r29, 0x00       ; 0
  4a:    5f9f           subi    r25, 0xFF       ; 255
  4b:    3694           cpi     r25, 0x64       ; 100
  4c:    f781           brne    .-32            ; 0x7a <main+0xc>
  4d:    e2e2           ldi     r30, 0x22       ; 34
  4e:    e4f0           ldi     r31, 0x40       ; 64
  4f:    e28f           ldi     r24, 0x2F       ; 47
  50:    e090           ldi     r25, 0x00       ; 0
  51:    e6a0           ldi     r26, 0x60       ; 96
  52:    e0b0           ldi     r27, 0x00       ; 0
  53:    938d           st      X+, r24
  54:    939c           st      X, r25
  55:    c003           rjmp    .+6             ; 0xb2 <main+0x44>
  56:    b986           out     0x06, r24       ; 6
  57:    5fef           subi    r30, 0xFF       ; 255
  58:    4fff           sbci    r31, 0xFF       ; 255
  59:    8180           ld      r24, Z
  5a:    2388           and     r24, r24
  5b:    f7d1           brne    .-12            ; 0xac <main+0x3e>
  5c:    e080           ldi     r24, 0x00       ; 0
  5d:    e090           ldi     r25, 0x00       ; 0
  5e:    912f           pop     r18
  5f:    91cf           pop     r28
  60:    91df           pop     r29
  61:    9508           ret

できたのはこれ。大体合っていそうな感じ。

subi/sbci が目立つ。ひとつは、フレームポインタ Y に加算してアクセスし元に戻すような使い方。addi という命令は存在しない。
__zoro_reg__ などはこのコードでは生成されないようだ。

レジスタ渡しにならないパラメータのアクセス


int32_t func_a(int32_t a,int32_t b) {
        return b+1;
}

こんな関数がどのように展開されるか見てみよう。


0000005a <func_a>:
  2d:    93df           push    r29
  2e:    93cf           push    r28
  2f:    b7cd           in      r28, 0x3d       ; 61
  30:    b7de           in      r29, 0x3e       ; 62
  31:    5fcb           subi    r28, 0xFB       ; 251
  32:    5fdf           subi    r29, 0xFF       ; 255
  33:    9129           ld      r18, Y+
  34:    9139           ld      r19, Y+
  35:    9149           ld      r20, Y+
  36:    8158           ld      r21, Y
  37:    50c8           subi    r28, 0x08       ; 8
  38:    40d0           sbci    r29, 0x00       ; 0
  39:    5f2f           subi    r18, 0xFF       ; 255
  3a:    4f3f           sbci    r19, 0xFF       ; 255
  3b:    4f4f           sbci    r20, 0xFF       ; 255
  3c:    4f5f           sbci    r21, 0xFF       ; 255
  3d:    2f62           mov     r22, r18
  3e:    2f73           mov     r23, r19
  3f:    2f84           mov     r24, r20
  40:    2f95           mov     r25, r21
  41:    91cf           pop     r28
  42:    91df           pop     r29
  43:    9508           ret

r19 が使われてそのままになっている。これはダメだがおいておいて ...

Y を push して Y に SP を代入している。で Y+5,Y+6,Y+7,Y+8 をレジスタにロードして、Y を元にもどしている。

Y を使わず Z を使って、ロードするには、


0000005a <func_a>:
  2f:    b7cd           in      r30, 0x3d       ; 61
  30:    b7de           in      r31, 0x3e       ; 62
  31:    5fcb           subi    r30, 0xFD       ; 253
  32:    5fdf           subi    r31, 0xFF       ; 255
  33:    9129           ld      r18, Z+
  34:    9139           ld      r19, Z+
  35:    9149           ld      r20, Z+
  36:    8158           ld      r21, Z

__mulsi3 などは、__zero_reg__ 使っていないし、関数の頭でこれをして、最後に __zero_reg__ を clr して ret すれば良さそう。

いろいろ直す

~~92-gcc-4.4.3-avrtiny10-fix2.patch~~
~~92-avr-libc-1.7.1-attiny10.patch~~

gcc の方だが、order_regs_for_local_alloc というのがある。CONDITIONAL_REGISTER_USAGE を直すのに合わせて変更した。

だが、libgcc2.c:400 (__mulvDI3) で
```
error: unable to find a register to spill in class 'GENERAL_REGS'
error: this is the insn:
(insn 986 985 987 135 ../../../../libgcc/../gcc/libgcc2.c:376 (set (reg:SI 46 [ D.2448 ])
        (minus:SI (reg:SI 46 [ D.2448 ])
            (reg:SI 409 [ temp.14 ]))) 892 {subsi3} (expr_list:REG_DEAD (reg:SI 409 [ temp.14 ])
        (nil)))
```
というエラーが出るようになってしまった。無理やりコンパイルしないようにすると通るから問題が起きるのはこれだけのようだ。

レジスタが足りないという問題だから解決できないかも。-- 困った。

それはともかく、avr-libc も試しにいくつか直してみた。
```
     common/asmdef.h  common/macros.inc
```
にも手を入れて X_lpm を avrtiny10 に対応させ X_sbiw マクロを追加。これでいくつか修正。簡単なのはやり方が決まったから、少しづつ手を入れていこうと思う。

追記: lpm は全部不要ということを忘れていた。アドレスさえ分かれば普通に C でアクセスできる。

追記： 1word lds/sts に対応できたかも


 avr-objdump -mavr201 -d minicrypt.o  |less


  2a:   89 e8           ldi     r24, 0x89       ; 137
  2c:   9b ea           ldi     r25, 0xAB       ; 171
  2e:   ad ec           ldi     r26, 0xCD       ; 205
  30:   bf ee           ldi     r27, 0xEF       ; 239
  32:   80 a9           sts     0x0000, r24
  34:   90 a9           sts     0x0000, r25
  36:   a0 a9           sts     0x0000, r26
  38:   b0 a9           sts     0x0000, r27


  2a:   89 e8           ldi     r24, 0x89       ; 137
  2c:   9b ea           ldi     r25, 0xAB       ; 171
  2e:   ad ec           ldi     r26, 0xCD       ; 205
  30:   bf ee           ldi     r27, 0xEF       ; 239
  32:   80 a9           ldd     r24, Z+48       ; 0x30
  34:   90 a9           ldd     r25, Z+48       ; 0x30
  36:   a0 a9           ldd     r26, Z+48       ; 0x30
  38:   b0 a9           ldd     r27, Z+48       ; 0x30


  -mldssts1
  -mldssts2
  -mno-ldssts
  -mreduced-lddstd

AVR_Toolchain-20110408-src.tar.gz -- パッチ集

これに対応するバイナリも作る。

バイナリは一応作ったのだが、問題がある。で、修正しようとしているのだが、ひとつの問題を直せていない。
1word lds/sts のリロケーション情報が書けない。

という問題で、avr-objdump.exe -mavr201 -r testmain.o とすると
```
testmain.o:     file format elf32-avr

RELOCATION RECORDS FOR [.text]:
OFFSET   TYPE              VALUE 
00000026 R_AVR_LO8_LDI_GS  var_b
00000038 R_AVR_LO8_LDI_GS  var_b
0000003c R_AVR_LO8_LDI     .progmem.data
0000003e R_AVR_HI8_LDI     .progmem.data
00000050 R_AVR_LO8_LDI_GS  var_b
00000052 R_AVR_LO8_LDI_GS  var_a+0x00000001
00000054 R_AVR_LO8_LDI_GS  var_a
00000056 R_AVR_LO8_LDI_GS  var_b
```
こうなる。var_a/var_b のところを R_AVR_7_LD1 にしているつもりが、違うタグになる。
タグだけが違うようなかんじで、リンクの際に
```
testmain.c:(.text+0x54): warning: internal error: out of range error
```
というエラーになっている。... 困った。

これは、bfd/reloc.c に並べる順番が関係していた。R_AVR_7_LD1 を途中にいれていたのだが、最後にしたら OK 。
AVR_Toolchain-20110409-src.tar.gz -- パッチ集

パッチ集はこれで FIX 。バイナリは準備中。

あと binutils で、PSTR() で取るアドレスに対して 0x4000 を自動的に加算しようかと思う。これから調査。

PSTR の処理の調査


#define PSTR(s) ((const  __attribute__((__progmem__)) char *)(s))


/* Return true if OP is a program memory reference.*/


        .type   __c.1676, @object
        .size   __c.1676, 4
__c.1676:
        .string "abc"
        :
        :
        ldi r24,lo8(__c.1676)
        ldi r25,hi8(__c.1676)


0000003c R_AVR_LO8_LDI     .progmem.data
0000003e R_AVR_HI8_LDI     .progmem.data


    case R_AVR_HI8_LDI:
      contents += rel->r_offset;
      srel = (bfd_signed_vma) relocation + rel->r_addend;
      srel = (srel >> 8) & 0xff;
      x = bfd_get_16 (input_bfd, contents);
      x = (x & 0xf0f0) | (srel & 0xf) | ((srel << 4) & 0xf00);
      bfd_put_16 (input_bfd, x, contents);
      break;

バグ修正と ldd/std 対応。


　line-no ldd/std reg  #　　offset     GET_MODE　 lim
   2306      LDD REG_Y 1    XEXP(x,1)     src      -1 
   2317      LDD REG_Z 1 
   2473      LDD REG_Y 1    disp          src      -1
   2488      LDD REG_Z 1
   2508      LDD REG_Y 2    disp          src      -1
   2521      LDD REG_Z 2
   3255      STD REG_Y 4    disp          dest     -3
   3273      STD REG_Z 4
   3569      STD REG_Y 1    XEXP(x,1)     dest     -1
   3580      STD REG_Z 1
   3706      STD REG_Y 1+ST XEXP(dest,1)  dest     -1 
   3717      STD REG_Z 1+ST
   3854      STD REG_Y 2    disp          dest     -1
   3867      STD REG_Z 2

posted by すｚ at 20:11| Comment(1) | TrackBack(0) | AVR_CORE

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Posted by 山田 at 2011年03月27日 10:08

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