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jp arch binary
このドキュメントでは，RSDのバイナリに関する様々な情報について説明します．
RSDはバイナリに一般的なelfファイルではなくhex形式のメモリイメージを使用します． これは，elfファイルを直接メモリに展開するプログラムローダーが存在しないためです．
hex形式メモリイメージは，1行あたり16Bのhex値を持ち，1行目から順にLMA(Load Memory Address) 0x0以降にロードされるフォーマットで作成されます． 1行あたりのデータ量が16Bである理由は，このメモリイメージがシミュレーション時に直接ロードされるメインメモリのデータアレイの幅が16Bで，それに合わせるためです．
RSDのバイナリ生成は以下のフローでソースコードをhex形式のメモリイメージにすることを意味します．
- gccとldを用いてソースコードからelfファイル(code.elf)を生成
- objcopyを用いてelfファイルからバイナリのメモリイメージ(code.bin)を生成
- Pythonスクリプトを用いてcode.binからhex形式のメモリイメージ(code.hex)を生成
詳細はMakefile(Asmプログラム用)およびMakefile(Cプログラム用)を参照してください．
バイナリの構成はリンカースクリプトに定義されています．
バイナリは.textや.dataなど複数のセクションから構成され，それぞれがVMA(Virtual Memory Address)空間の特定の領域にマップされます． RSDのVMA空間にはROM領域とRAM領域があり，バイナリの.textセクションなどの読み出し専用セクションはROM領域に，.dataなどの読み書きセクションはRAM領域に割り当てられます． 具体的なVMA空間のアドレスと領域，割り当てられるセクションの関係は以下の通りです．
| Virtual Address | 内容 | 割り当てられるセクション |
|---|---|---|
| 0x0000_1000 ~ 0x0000_FFFF | ROM | .text, .rodata, .srodata |
| 0x8000_0000 ~ 0x8003_FFFF | RAM | .data, .bss |
バイナリのすべてのセクションは，まず始めにRSD外のプログラムローダーによってROM領域にロードされます． つまり，VMA空間ではRAM領域に割り当てられた.dataセクションなどもすべてROM領域にロードされます． ここで各セクションがROM領域にロードされる際のアドレスをLMA(Load Memory Address)と呼びます． RSD外部のプログラムローダーの実装は，RSDの動作環境ごとに以下の通りです．
| 動作環境 | プログラムローダー |
|---|---|
| QuestaSim | SystemVerilog test bench code initializes the ROM using $readmemh |
| Verilator | C++ test bench code directly initializes the ROM |
| Vivado(Functional) | SystemVerilog test bench code initializes the ROM using $readmemh |
| Vivado(Post-synthesis) | Vivado synthesizes the ROM with a code.hex using $readmemh |
| Xilinx Zynq FPGA | C++ loader on an ARM host processor loads a code.hex |
この仕様によりRAM領域に割り当てられたセクションはVMA≠LMAとなるため，バイナリがロードされた後にROM領域からRAM領域へのコピーが必要になります． 具体的には，RSDはmain関数に入る前のスタートアップルーチンで.dataセクションをROM領域からRAM領域にコピーし，.bssセクションが割り当てられたRAM領域を初期化します． このコピー操作の実装はこのファイルにあります． 一方，ROM領域に割り当てられるセクション(.textなど)はVMA=LMAとなるように設定されるため，コピーなどは不要です．
まとめると，RSDの起動時のバイナリ(code.hex)のロードは以下のフローで行われます．
- RSD外部のプログラムローダーがcode.hexをLMAで設定されたROM領域に展開しRSDをリセット
- RSDがcode.hex内のスタートアップルーチンで.dataセクションをLMAで設定されたROM領域からVMAで設定されたRAM領域にコピー
- RSDが同スタートアップルーチンで.bssセクションのVMAで設定されたRAM領域を初期化
- RSDがmain関数へジャンプしてプログラム実行スタート