ブートはどうにかなってきたので、そろそろカーネル本体に手を出していきたいのですが、どこから手を付けていいのか、正直途方に暮れています。
カーネルのコードは /usr/sys/ 以下にあり、/usr/sys/conf/ で make すれば、カーネルがビルドできるようです。その中の makefile を見る限るでは、l.s, mch.s, c.c あたりから見ていけば良さそうです。
暫くこの辺りのコードを眺めながら、突破口を探すことにします。
新しくZ8001CPUボードを作製しました。今までは、ラッピングワイヤを直接はんだ付けして配線していましたが、今回初めて、ユニバーサル基板にピンヘッダをたてワイヤラッピングで配線してみました。この方法は、ピンヘッダとICソケットとの間を配線するのが単調で根気がいります。とくにPLCCソケットは苦痛でした。ラッピングでの配線はやっていて楽しいのですが、間違いに気づいたときは修正が大変です。ほどきたい配線の上にすでに配線されていると、それもほどかないといけません。一度ほどくとワイヤが傷んでしまっているので、２回目巻きなおすと折れたりするので気を使います。年で眼も弱ってきているので、そろそろPCBが作れるようにならないとだめですね。
今回のボードは、MMUを搭載しCP/M-8000以外のOSも移植することを考えています。初代のボードでは、Z8010 MMUを使ってメモリー管理ができるように考えていたのですが、何故かうまく動作せず。結局、CPLDでセグメントアドレスを変換するロジックを組んで、CP/M-8000が動作するようにしました。しかし、この方法ではアドレス変換が固定で融通が利かず、CP/M-8000以外のOSを動かすのは難しくなります。
新しいボードでは、Z8010を使うことは諦めて、MMUを自前で組むことにしました。これに先立って、Z8002 CPUを使ったボードで、MMUを自作できそうか簡単な回路を組んで試してあったのですが、実際に作ってみると配線量の多さからかなり苦戦しました。MMU以外は、最初のボードとほぼ同じです。
自作MMUの仕様は下のようになっています。
PDP-11が起動し最初にディスクから読み出されるコードは、ディスクの先頭に書かれているブートプログラムです。そのソースコードは、/usr/mdec/rpuboot.s です。UNIX V6だと、このプログラムがUNIXカーネルをディスクから読み出して実行するのですが、V7では、/bootを読み込んで実行します。そしてbootがUNIXカーネルを読み込んで実行します。bootのソースコードは、/usr/src/cmd/standaloneにあります。
ブートプログラムはアセンブリ言語で書かれています。コードのメインの部分を見ていきます。
/ now start reading the inodes / starting at the root and / going through directories 1: mov $names,r1 mov $2,r0 / ルートディレクトリのinode番号 1: clr bno jsr pc,iget tst (r1) / namesの終端か beq 1f 2: jsr pc,rmblk / br start / rmblkが正常の終了の場合はスキップ mov $buf,r2 / r2 = buf[] 3: mov r1,r3 / r3 = names[] mov r2,r4 / r4 = buf[] add $16.,r2 / r2 = 次のディレクトリエントリ tst (r4)+ / inodeは空か beq 5f 4: cmpb (r3)+,(r4)+ / ファイル名の比較 bne 5f cmp r4,r2 / blo 4b mov -16.(r2),r0 / r0 = inode番号 add $14.,r1 / br 1b 5: cmp r2,$buf+512. / blo 3b / buf[]の最後でない br 2b / buf[]の最後 / read file into core until / a mapping error, (no disk address) 1: clr r1 / r1 = 0 1: jsr pc,rmblk br 1f mov $buf,r2 2: mov (r2)+,(r1)+ cmp r2,$buf+512. blo 2b br 1b 1: clr r1
6−９行で、ルートディレクトリのinodeを読み込んでいます。igetは、r0で指定した番号のinodeをinode[]にコピーします。
13行は、rmblkでルートディレクトリをbuf[]に読み込みます。15行目からは、1エントリごとにファイル名とnames[]を比較します。
一致した場合は、27行でinode番号をr0に読み込みます。r1に14を足して8行目に飛び、igetでファイル名が一致したファイルのinodeを読み込みます。
11行でファイル名が終わっていることを確認し、38行目からinodeのdi_addr[]に沿ってファイルをメモリーに読み込んでいきます。
次のリストは igetです。
/ get the inode specified in r0 iget: add $15.,r0 mov r0,r5 ash $-3.,r0 / r0 = (r0 + 15) / 8 bic $!17777,r0 / r0 &= 0x01fff mov r0,dno clr r0 jsr pc,rblk bic $!7,r5 / r5 &= 0x0007 ash $6,r5 / r5 *= 64 add $buf,r5 / r5 += buf mov $inod,r4 1: mov (r5)+,(r4)+ cmp r4,$inod+64. blo 1b rts pc
3-6行でinode番号をinodeが存在しているブロック番号に変換し、9行でそのブロックをbuf[]に読み込んでいます。
10-12行で目的のinodeのbuf[]内でのオフセットを求め、13ｰ17行でinode[]にコピーしています。
次のrmblkは、bnoで指定されたブロックを、inode内のdi_addr[]に従ってbuff[]に読み込みます。
/ read a mapped block / offset in file is in bno. / skip if success, no skip if fail / the algorithm only handles a single / indirect block. that means that / files longer than 10+128 blocks cannot / be loaded. rmblk: add $2,(sp) / リターンアドレスを2増やす mov bno,r0 cmp r0,$10. blt 1f mov $10.,r0 / 間接参照 1: mov r0,-(sp) / asl r0 / add (sp)+,r0 / r0 = bno * 3 add $addr+1,r0 / r0 += di_addr + 1 movb (r0)+,dno movb (r0)+,dno+1 / dno = ブロック番号の下位2バイト movb -3(r0),r0 / ブロック番号の上位1バイト bne 1f tst dno beq 2f 1: jsr pc,rblk / ブロック読み込み mov bno,r0 inc bno sub $10.,r0 blt 1f / 直接参照ならリターン ash $2,r0 / r0 *= 4 mov buf+2(r0),dno / dno = ディスク番号の下位2バイト mov buf(r0),r0 / r0 = ディスク番号の上位2バイト bne rblk tst dno bne rblk 2: sub $2,(sp) 1: rts pc
ブロック番号が0から9までは直接参照で10は間接参照になりますが、コメントにあるとおり、2重間接参照には対応していません。
13行でブロック番号10以上は、間接参照に対応するため10に固定しています。
15-18行で、ブロック番号からdi_addr[]内でのディスク番号下位2バイトのオフセットを求めています。
22-24行は、ブロック番号が0だった場合、rmblkを呼び出した直後のアドレスにリターンします。
26-30行で、ブロックを読み込んだ後、直接参照の場合はリターンします。
31行目からは間接参照の処理で、29行で10引かれたディスク番号を4倍しオフセットを求め、先に読み込んだブロックからブロック番号を取り出します。
34-36行で、番号が０でなければブロックを読み出します。
ブロックが正常に読み込まれた場合は、9行でリターンアドレスが＋２されているので、rmblkを呼び出した次の命令をスキップします。
これで、UNIXが起動する第一段階を追いかけられました。次は、2段階目の/bootになります。
ディレクトリは、/usr/sys/h/dir.hで定義されているdirect構造体のリストです。
#ifndef DIRSIZ
#define DIRSIZ 14
#endif
struct direct
{
ino_t d_ino;
char d_name[DIRSIZ];
};direct構造体のサイズは16バイトで,、最初の2バイトはinode番号です。続く14バイトがファイル名です。
(inode番号 - 1)×dinod構造体のサイズ (64バイト)＋ inodeブロックの先頭アドレス(0x400)
計算すると、rl2tunixのi-nodeのアドレスは0x2300になります。
92ブロックの間接参照のブロック番号が書かれています。直接参照と合わせると、102ブロックに渡ってrl2unixが書き込まれていることがわかります。
これでUNIXカーネルのファイルまでたどり着くことができました。次は、ブートプログラムを見ていきます。
struct dinode
{
unsigned short di_mode;/* mode and type of file */
short di_nlink; /* number of links to file */
short di_uid; /* owner's user id */
short di_gid; /* owner's group id */
off_t di_size; /* number of bytes in file */
char di_addr[40]; /* disk block addresses */
time_t di_atime; /* time last accessed */
time_t di_mtime; /* time last modified */
time_t di_ctime; /* time created */
};
#define INOPB 8 /* 8 inodes per block */
/*
* the 40 address bytes:
* 39 used; 13 addresses
* of 3 bytes each.
*/
};inode番号0は未使用で、ルートディレクトリのinode番号は2なので、ルートのinodeの位置は、ディスクイメージでは0x0440からです。
ブートローダの移植から始めようとしているわけですが、ディスクドライブからカーネルを読み込まないといけないので、まずはファイルシステムを理解する必要があります。この辺りは参考になりそうな書籍やネット上の情報があるので助かります。
コードだけを読んで理解するのは難しいので、ディスクイメージと照らし合わせながら理解していきます。SIMHのサイトからUNIX V7のSoftware Kitesをダウンロードし、ZIPファイルに含まれているunix_v7_rl.dskを使います。
http://simh.trailing-edge.com/kits/uv7swre.zip
このディスクイメージのブロックサイズは512バイトです。
先頭のブロックはブートブロックで、システム起動時に最初に読み込まれるブートプログラムが格納されています。ディスクからカーネルを読み出すコードですが、とりあえずは手をつけずに置いておきます。
ブートブロックに続く1ブロック、ディスクイメージのダンプリストで0x0200から0x03FFまでがスーパーブロックになります。
/*
* Structure of the super-block
*/
struct filsys {
unsigned short s_isize; /* size in blocks of i-list */
daddr_t s_fsize; /* size in blocks of entire volume */
short s_nfree; /* number of addresses in s_free */
daddr_t s_free[NICFREE];/* free block list */
short s_ninode; /* number of i-nodes in s_inode */
ino_t s_inode[NICINOD];/* free i-node list */
char s_flock; /* lock during free list manipulation */
char s_ilock; /* lock during i-list manipulation */
char s_fmod; /* super block modified flag */
char s_ronly; /* mounted read-only flag */
time_t s_time; /* last super block update */
/* remainder not maintained by this version of the system */
daddr_t s_tfree; /* total free blocks*/
ino_t s_tinode; /* total free inodes */
short s_m; /* interleave factor */
short s_n; /* " " */
char s_fname[6]; /* file system name */
char s_fpack[6]; /* file system pack name */
};PCCをZ8000に対応できそうな目処がたってきたので、UNIXの移植に手をつけていきます。何年越しのプロジェクトやねん、って感じですが、PCCの作業にすこし飽きてきたのと、実際のコードをコンパイルしながらデバッグしていった方が現実的な気がしてきたきたからです。途中で挫折しそうな気がしますが、気長にやっていきます。なにせ趣味（暇つぶし）ですから。
まず第一歩として、githubの unix-history-repo からV7のソースコードをクローンしました。
$ git clone git@github.com:dspinellis/unix-history-repo.git -b Research-V7-Snapshot-Development --depth 1ざっと眺めてみて正直どこから手を付ければ良いのか、ちょっと悩みます。少しでも成果が見えて、進んでいる実感がないと継続は難しいですからね。やはり、ブートローダあたりからかなあ。
YouTube に ZCCで "Hello, world" する動画を上げました。
"Hello, world" under CP/M-8000
ZCCを使ってみて気づいた注意点を上げておきます。なにせK&R時代の古いCコンパイラなので、今の感覚でコードを書くと、思わぬところでエラーの嵐に遭遇します。
・=- に注意
「x=-1」 は、「x = -1」ではなく「x -= 1」に解釈されます。コンパイル時にwarningがでますが、オブジェクトファイルが出力されリンクも正常にできるので注意が必要です。実行してみて意図した動作をしないことで気づきましたが、理由がわからずしばらく悩みました。 かなり古い（K&R以前？）の書き方のようです。
・関数のプロトタイプ宣言に引数の型を含めない & 戻り値がなくても int で宣言
これもかなりハマりました。次のように宣言します。
int foo(a, b);
foo(a, b) int a, b;
{
/* 戻り値なしの処理 */
}
・unsigned char が使えない？
unsigned int は使えるのですが、unsigned char はサポートしていないようです。
・関数名、ラベル名、変数名は8文字まで
Cコンパイラは名前の前に "_" をつけるので、実質使えるのは７文字です。それ以上の文字は無視されるので、気を付けないと違う名前を付けたのに同じと判別されてしまいます。アセンブラとリンカが８文字までしかとらない仕様なので、これは仕方ありません。
・コンパイラの -D オプションが働かない
これは、The Unofficial CP/M Web Siteに書かれていました。試したところ本当に働きません。ヘッダファイルに、#define で定義しておく必要があります。
・コンパイラのオプションがわからない
ZCCのドキュメントが失われているようで、コンパイラーに指定できるオプションがわかりません。今のところわかっているのは、上の働かない-Dぐらいです。CP/M-68KのCコンパイラにはドキュメントが残っているようなので、参考になるかもしれません。
・改行コードと終端コードに注意
改行コードがCR+LFで、テキストがEOFで終端されていないとエラーに悩まされます。これはZCCというよりCP/Mの仕様なのですが、意味のわからないエラーメッセージがでるので悩まされます。CP/M上でコードを編集する場合は大丈夫ですが、LinuxやWindows上で編集している場合に問題になります。改行コードは指定しておけば問題ないのですが、末尾にEOFをいれてくれるエディターはないようなので、意図的に入れる必要があります。VimだとCtrl+Zで入れられます。EOFのあとにテキストが入っていても無視されます。
癖がわかってくると、ZCCは結構使える気がします。アセンブリ言語で書くよりは格段に楽ですから、多少の制約は我慢できます。
CP/Mのライセンスに変化があったのと、夏休みに入って時間ができたこともあり、CP/M-8000に手を入れています。その一番目として、やり残していたFPUエミュレーションをCP/Mにリンクして使えるようにしました。
作業としては、fpe.o と fpedep.o をXOUTからCOFFに変換し、biostrap.sを書き換えるだけですんだので拍子抜けするほど簡単でした。fpe.oはZilogが出荷予定だった実数演算コプロセッサのZ8070をエミュレートするもので、Z8070の命令がくると例外処理で実数演算をソフトウェアで実行します。
これで、ZCC（ZilogのCコンパイラ）で、floatが扱えるようになりました。ためしに、レトロCPU界隈ではメジャーなマンデルブロ集合のASCIIARTをC言語に書き換えて実行してみました。コードは下のような感じです。
見慣れたアスキーアートが出ているので、問題なく動作しているようです。ただし実行時間は遅く、7分44秒とかなり期待はずれな結果です。結果はともかく、実数演算がC言語で使えるようになっただけで可能性は広がります。試せる人はかなり限られると思いますが、この成果はGitHubのリポジトリに反映しました。
今後は、開発環境を改善していく予定です。私にはCP/M標準のEDが全く馴染まないので、まずはエディタをどうにかしようと検討中です。
こんなものを試す人はかなりのハッカー基質の人だと思い、Githubの説明はあまり親切でないのと、英語があまりにひどいので、CP/M-8000を起動させるための補足をしておきます。
準備
作業はDebian系のディストリビューションで行うことを想定しています。ATMEGAのコードをビルドし書き込むために、gcc-avr, avr-libc, avrdude をインストールしておきます。Z8000のコードをアセンブルするために、GNUのサイトからbinutils をダウンロードして、 Z8001クロス開発環境 binutilsをビルドしてみるを参考にビルドしてください。私が確認しているは使っているのは、binutils-2.34 です。
ATMEGA164のヒューズビット設定
Z8001MBと同じくZ8K CP/Mでは、Z8001を起動するためにATMEGA164Pが使われていますが、JTAGの禁止と外部クロック入力にするためヒューズビットの書き換えが必要です。値は、LFUSE : 0xE0, HFUSE : 0xD9 です。ATmega164PのJTAGを禁止するを参照し、avrdudeを使って書き換えてください。
マシンモニタの書き込み
z8kboot ディレクトリでmakeを実行してください。z8kbooter.elf が作られます。 チップへの書き込みは、make write で実行できます。
CP/M-8000のビルド
COFFに変換済みのcpmsys.o と libcpm.a が入れてあるので、cpm8kディレクトリで、makeするだけです。cpm8k.bin が作られます。
CP/M-8000のディスクイメージの作成
cpmtoolsをインストールし、/etc/cpmtools/diskdefsにcpm8kディレクトリにあるdiskdefsを追加します。diska/b/c/d ディレクトリにディスクイメージに含めたいファイルを入れて、make dskimg を実行します。disk.img ができるので、dd でCFに書き込めばOKのはずです。ディスクイメージに入れるCP/M-8000のコマンド類は、 http://www.cpm.z80.de/download/cpm8k11.zip を解凍すると得られるDISKn.ZIPに含まれています。
こんな状況になると予想しておらず、慌てて書いたので間違っているかもしれません。
私がGithubにあげているZ8001MBの回路図をもとに、tomi9さんがCP/M-8000を動作させることができるPCBを作成され、一枚送ってくださいました。
PCBだけでなくCFのソケットとGALも同封されており、あとは手持ちの部品だけで行ける状態でした。tomi9さん、ありがとうございます。自分もいつかはPCBを作ってみたいとは思っているのですが、なかなか勇気が出ません。ラッピングワイヤーでの手配線だと、すぐに回路の修正がききますが、PCBだとそう簡単にはできません。
久しぶり（中学高の技術の授業以来？）のPCBでの組み立てで、ちょっと一投目は緊張しましたが、最難関のCFソケットのはんだ付けを済ませ、Z8536以外の部品を組みつけて、現在、動かせるところまで来ています。
