ゲームボーイアドバンスのUNIX®

はじめに

この出版物では、gbaunixについてお話します。これは、人気のある（出版時、2004年頃-およそTransl。）ポータブルコンソールでシミュレータで古代バージョンのUNIXオペレーティングシステムを立ち上げた楽しい実験です。 つまり、任天堂ゲームボーイアドバンスのUNIX 5版（1974年、39年前にリリース）です。 これは、Gameboyの自作開発者、OSに特化したIT学生、エミュレーターまたはコンパイラー、Unixオタクにとって興味深いかもしれません。


任天堂は1889年からゲーム市場に参入しています（原文）！ ゲームボーイは、今日まで非常に成功裏に販売されているポータブルコンソールの全ラインのブランドです。 1989年のリリース以来、1億7500万台が販売されました。 この記事では、Game Boy Advance、略してGBA、および対応するGBA SPについて説明します。

鉄：

• 16.78 MHzでクロックされる32ビットARMプロセッサ（RISC）
• 16.78 MHzでクロックされる32ビットARMプロセッサ（RISC）
• Z80 8ビットプロセッサ（CISC）、周波数4.2または8.4 MHz。 古いゲームボーイとの互換性のために追加され、CPUが搭載されていました
• 4つの16ビットタイマー
• 4チャンネルDMA
• カラーTFTスクリーン、解像度240x160
• ヘッドフォンを介したステレオサウンド
• 10個のボタン
• シリアルポート
• GamePakカートリッジのインターフェース

コンソールにはいくつかのメモリブロックがあります。

• 16 KB BIOS ROM
• ボードにはんだ付けされた256 KBの外部RAM（EWRAM）
• CPUチップ（IWRAM）上の32 KBの内部RAM
• 背景およびスプライトパレット用の1 KB RAM
• 96 KBビデオRAM
• オブジェクト属性用の1 KB RAM
• 最大32 MBのROMカートリッジ
• 最大64 KBのSRAMカートリッジ、オプション

カートリッジROMには、コンソールのアドレススペースに2つの追加マッピングがあることに注意してください。 さらに、カートリッジにはサイズやタイミングが異なる複数のメモリバンクが含まれている場合があります。

GBAは、通常のカートリッジ、書き換え可能なフラッシュカートリッジ、マスターモードの別のGBA、またはケーブルを介してコンピューターからもロードできます。 この機能はBIOSで保護されています。

コンソールハードウェアは、主に十分に文書化されたアドレススペースからアクセスできます。 さまざまなI / Oレジスタがメモリアドレスにマップされます。 これに加えて、BIOSにはソフトウェア割り込みを介して利用できる多くの機能が含まれています。

高レベルのgbaunixアーキテクチャ

gbaunixは、Gameboyで発売されたUNIX 5エディションです。 このために、Cで書かれたさまざまなアンティークコンピューターのシミュレーターであるSIMHが使用されます。SIMHは他の多くのものをエミュレートできますが、ここではPDP-11のみが使用されます。 GameboyにはいくつかのCツールチェーンがあり、SIMHを少しの血でGameboyに移植することが判明しました。 結果のシステムのアーキテクチャを以下に示します。


gbaunixカートリッジは、シミュレータランタイムとOSからのディスクイメージを連結したものです。 残りのスペースを空のままにするか、何か便利なものを使用できます。

シミュレーターは最小限に変更されたSIMHです。 ゲーム固有の機能は、個別の抽象化レベルで実装されます。

TTYの結論。

gbaunixは、SIMHのテキスト端末をシミュレートします。 出力はGameboyで実行される手順にリダイレクトされ、ゲームボーイはそれをフォーマットして画面に表示します。 スクロールがサポートされています。 printf()は、バッファー内でsprintf()に分割され、画面に表示されます。

TTY入力。

現在、健全な入力サポートはまったくありません。 コンパイル中に定義された一連のシェルコマンドのみを実行できます。 gba/gba_kbd.h指定されていgba/gba_kbd.h 。 UNIXが実行されている場合、[スタート]ボタンはリストから次のコマンドを発行して実行します。 ボタンの押下、ポーリング、または中断を監視できます。 例：

 /* gba/gba_kbd.h */ const char *gba_kbdinput[] = { "unix\r", "root\r", "chdir /work\r", "ls -l\r", "./fact 100\r", "cat hanoi.c\r", "./hanoi\r", "./hanoi 3\r", "chdir /tmp\r", "echo 'main() { printf(\"Hello, World!\\n\"); }' \ > hello.c\r", "cc hello.c\r", "./a.out\r", ... /* more commands */ NULL, }; 

ファイルシステム。

ディスクイメージのサイズは2.5 MBで、カートリッジROMにのみ収まります。 このメモリは読み取り専用ですが、何らかの方法で書き込みを処理する必要があります。 これを行うには、各書き込み操作でRAMにバッファーを作成します。 すべての読み取りおよび書き込み操作は、最初にバッファがチェックされます。 そのようなバッファの数が増えると、それらはマージされます。 仮想stdioは、シミュレーターにスリップされます。

メモリ。

シミュレートされたPDP-11には、ハードウェアで使用可能な128 KBの利用可能な256 KBのEWRAMがあります。 DMAを使用するなど、メモリを操作する最適化がいくつかあります。

その他

ここでは、ランタイムの初期化、TTY、割り込み、ファイルシステムなどのコード。

開発

gbaunixは、GameboyエミュレータとIron Consoleの両方で動作します。 ハードウェアで実行するには、フラッシュカートリッジとそのためのプログラマが必要です。
特にソースをいじくりたいという要望がある場合は、Gemyboyエミュレータを使用する方がはるかに便利です。 gbaunixは依然として非常に条件付きで最適化されており、鉄のコンソールでは非常にゆっくりと動作します。 エミュレータを使用すると、使用可能な最高速度で作業でき、これにより多くの神経が節約されます。

私の開発環境はMac OS X用にデプロイされています。ボイコットアドバンスエミュレーターと、原材料から構築されたdevkitARMツールチェーンを使用しています。 フラッシュカートリッジを備えた実際のコンソールで確認しました。

UNIXの歴史についての叙情的な余談

ここには大きなテキストがあり、記事の主題に直接関係していませんが、好奇心が強いので削除できません。 別の投稿で取得-habrahabr.ru/post/194160

コメント付きのGbaunixデモ

第5版、1974年6月

第5版は、電子的にダウンロード可能なシステムイメージとカーネルソースがある最古のバージョンであるため、使用しています。 truなので、再コンパイルを試みます。

電源を入れると、gbaunixはPDP-11ハードウェアに関する情報とブートローダープロンプト- @ます。 [ Start ]をクリックStartと、コマンドキューはカーネル名をboot- unix与えます。 鉄製のゲームボーイへのロードには約2分かかります。 ダウンロード後、ログインの招待が表示されます。


招待状のセミコロン（ ;ログインはUSENIX Associationが発行する紙の雑誌でもあります ）は、1970年代初期に人気のあったTeletype model 37端末に必要です。 彼女はそれを全二重モードにします。 GBA TTYを含む他のすべての端末は、画面に文字を表示するだけです。

このような初期バージョンのUNIXでさえ、ブロックデバイスファイルとキャラクターデバイスファイルを持っています。 RK0は最初のディスクである/dev/mem RK0デバッガーでデバッグし、ホットなものにパッチを適用するためのシステムメモリを表示します。


globはglobal略で、メタキャラクター*および?を公​​開するためのシェル外部コマンド? コマンド引数。 globはメタ文字を展開し、目的のコマンドを呼び出します。 一致するものがない場合、従来のNo matchエラーがNo matchます。


奇妙なことに、 mkfsようないくつかのコマンドは/etcに隠されており、曲がった手での偶発的な呼び出しからは離れています。

dcは逆ポーランド記法を備えた計算機です。 これは、このコンピューターのUNIXバージョンを作成する前であっても、PDP-11で実行される最初のプログラムです。

典型的な第5版カーネルは、26 Kb未満を占有します。 シェルは5738バイト、 /initは1972バイトのみを使用します。 まともなスクリプト/etc/rcます。 /etc/updateは、ファイルシステムのスーパーブロックを30秒ごとに更新して、障害による損失を減らします。 lsの詳細な出力には、許可、リンクの数、所有者、バイト単位のサイズ、最終変更時刻、および名前が含まれます。


第5版の時代には、多くのプログラミング言語をサポートする豊富な開発インフラストラクチャがすでに作成されていました。 たとえば、Algol-68、APL、アセンブラ、BASIC、C、FORTRAN、M6、PASCAL、Snobol、TMG。 原則として、gbaunixを使用すると、Gameboyで複数の言語で直接プログラムできます（これは理論上、実際には、キーボードがないために少なくとも不便です）。 パッケージには、C、アセンブラーPDP-11、BASIC、シェル、Fortran用のコンパイラー/インタープリターが含まれています。 Algolも試しましたが、ディスクイメージに追加しませんでした。 たとえば、ハノイの塔を示しています。





スクリーンショット付きの特別なページで 、より多くのスクリーンショットを見ることができます

後続のエディション

第6版（1975年5月）は、BSDとXenixにルーツがあったため、歴史に刻印を残しました。 John Lyonsは、有名な「 UNIXの第6バージョンに関するLyonsのコメントをソースコード付きで 」書いています 。 また、UNIXの初期の完全保存バージョンでもあります。 第5版のドキュメントは失われていますが、第4版およびそれ以前のものはほとんど残っていません。 第6版以降、UNIXシステムの開発は著しく復活しました。 その後、1979年1月に7回目、1985年2月に8回目、1986年9月に9回目、1989年10月に10回目が登場しました。

BSD

Gameboyでは、SIMHでサポートされているシステムをさらにいくつか実行できます。 しかし、それはますます複雑になり、利用可能なRAMにかかっています。 BSD 2.9のスクリーンショットのカップル：

Gbaunixの最適化

Gbaunixには、作業速度に影響する実験の前提条件があります。 ただし、これには再コンパイルが必要です。

IWRAMの慈悲コード

Gbaunixには、ARM用のコードをコンパイルしてIWRAMに保存する例があります。 これは、おそらくプロセッサシミュレーションコードに最も役立ちます。

DMA

ゲームボーイでは、さまざまなパフォーマンスと制限を使用して、いくつかの方法でメモリを操作できます。 gbaunixは、 memcpy()およびmemset()関数にDMA3（汎用）を使用します。 さらに、BIOSには、ソフトウェア割り込みを介してメモリをコピーおよび充填する機能が含まれています。 一般に、gbaunixはメモリを操作するための微調整をサポートしています。

キャッシング

前に言ったように、gbaunixはstdioと仮想ディスクをエミュレートし、カートリッジメモリをUNIXファイルとして提示します。 ハードウェアはROMへの書き込みを許可しないため、上記のようにバッファを使用する必要があります。 gbaunixはディスクフラグメントをバッファにプリロードできます。 これにより、システムのロードを大幅に高速化できます。

UNIXカーネルの再コンパイル

カーネルを再コンパイルしてもgbaunixに顕著な利点はありませんが、これはとにかく興味深いものです。 少なくとも最新のシステムの同じ手順との比較のために。 鉄のコアサポートを制限して、スペースを節約できます。

第5版のソースコードのサイズを見積もります。
ヘッダー：13ファイルに418行
C：43ファイルに7,222行（周辺機器ドライバーを含む）
アセンブラー：2行で1080行

Gameboyでカーネルを直接コンパイルすることさえしませんでした。 それには無期限に長い時間がかかり、バッファメモリが不足します。 とにかく、そのようなタスクのための機器は低電力です。

次のコマンドシーケンスは、実際のハードウェアまたはシミュレータ上に、第5版のインストールが機能し、デフォルトディレクトリのカーネルソースが/usr/sysであることを前提としています。

前のコンパイルから残っている可能性のあるライブラリを削除します。

 # chdir /usr/sys # rm -f lib1 # rm -f lib2 

コンパイルを開始する前に、ファイル/usr/sys/param.hパラメーターを調べて正しく指定する必要があります。

コンパイラーがエラー「 undefined KISA0 」を生成した場合、定義を/usr/sys/seg.h追加します。

 # echo '\#define KISA 0172340' >> /usr/sys/seg.h 

実際のコンパイル：

 # chdir ken # cc -c -O *.c ... # ar vr ../lib1 main.o alloc.o iget.o prf.o rdwri.o \ slp.o subr.o text.o trap.o sig.o sysent.o clock.o fio.o \ malloc.o nami.o pipe.o sys1.o sys2.o sys3.o sys4.o ... 

ドライバーなどのコンパイル。 部分的に無効にできます：

 # chdir ../dmr # cc -c -O *.c ... # ar vr ../lib2 *.o 

システム構成とリンク。 出力はカーネルバイナリです。

 # chdir ../conf # cc mkconf.c # mv a.out mkconf # echo rk | ./mkconf # cc -c cc # as ls # mv a.out lo # as mch.s # mv a.out mch.o # ld -x lo mch.o co ../lib1 ../lib2 # mv a.out rkunix 

rkunixこれは新しくコンパイルされたカーネルです。 ルートディレクトリ/rkunixに配置し、起動時にunixではなくrkunixコマンドをrkunixすると、起動します。

アイデアと提案

有望なアイデアの短いリスト。 主に学問的関心

GamboyのネイティブUNIXポート

UNIXをGameboyに移植することは、オペレーティングシステムコースの一環として、学生にとって良い練習になるでしょう。 生産性は劇的に向上するはずです。 古代のOSは、一人の人間の頭に収まるほど小さい。 第6版は44個のファイルで構成されています。
14の見出しC
Cコードの28ファイル
アセンブラーを使用した2つのファイル。

すべてを合わせて9000行未満のコードが含まれています。 これはデバイスドライバーを使用します。 アセンブラーは約10％です。

私の意見では、タスクは非常に実行可能です。 アセンブラコードとコンパイラの移植に問題がある場合があります。

パフォーマンスの改善

可能な限り作業を高速化しようとしましたが、それでも最終的な解決策にはまだ長い道のりがあります。 プロセッサシミュレーションコード（ pdp11_cpu.c ）から開始できます-実行される時間の割合は最大です。

入力機構

gbaunixは、コンパイル中に配線されたコマンドキューを実行するだけです。 現実に近づくには、ユーザーがコマンドを入力する方法が必要です。 または、端末で正常に動作する仮想キーボードを提供できます。

オリジナルMacintoshのゲームMacエミュレーション

最初のMacintoshは特に高度なハードウェアではありませんでした。周波数が8 MHzの16ビットプロセッサ、128 KB RAM、64 KB ROM、キャッシュなし、割り込みなし、400 KBフロッピーディスク、解像度512x342のモノクロ画面。 ゲームボーイには、画面を除き、さらに強力なハードウェアがあります。 原則として、軽量のMacintoshエミュレータを作成または移植できます。 スクロールすることで画面の不足を補い、バッファなどを使用してディスクへの書き込みをシミュレートします。

別のオプションは、8088エミュレータを移植してDOSの古代バージョンを実行することです。

ダウンロード先

gbaunix-0.0.tar.bz2

実行するには、RK05ディスクイメージが必要であることに注意してください。 含まれていませんが、ライセンス契約の条件に同意する場合は、PDP Unix Preservation Society Webサイトからダウンロードできます。

http://minnie.tuhs.org/PUPS/

使用する

見たいだけなら、再コンパイルせずにシミュレーターランタイムとディスクイメージをまとめることができます。

 % cat unixv5.tmp disks/unixv5.dsk > unixv5.gba 

unixv5.gbaは、すぐに起動できるイメージカートリッジです。 エミュレーターとアイロンコンソールの両方で使用できます。

gbaunixを再コンパイルしたい場合（強くお勧めします。これがプロセスを楽しむ唯一の方法です）、ARMアーキテクチャ用のクロスコンパイル環境が必要になります。 Makefileを修正する必要がある場合があります。 RK05イメージには、 disks/unixv5.dskという名前を付ける必要があります。 その後、理論的には、1つのmakeコマンドで十分なはずです。

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