如何运行一个在 Raspberry Pi 上没有 OS 的 C 程序？

Question

我想尝试将 Raspberry Pi 用于一些不同的低级嵌入式应用程序。唯一的问题是，与可用的 AVR 和 PIC 微控制器板不同，Raspberry Pi 通常运行一个 OS（如 Raspbian），将 CPU 时间分配给所有运行程序并使其对于某些实时应用程序不切实际。

我最近了解到，假设您安装了像 GRUB 这样的引导加载程序，运行 x86 上的 C 程序 (in the form of a kernel) 只需要很少的实际设置，只需一个汇编程序来调用 main函数和实际的 C 代码。

有没有办法用Raspberry Pi实现这个？这将是了解低级 ARM 编程的好方法，并且它已经有一些复杂的外围设备可供使用（USB、以太网等）

Answer 1

虽然 Pi 上可以使用裸机，但我会避免使用它，因为 Linux 变得如此轻便，可以为您处理一大堆东西。

如果您仍想学习裸机知识，这里有一个入门教程：http://www.valvers.com/open-software/raspberry-pi/step01-bare-metal-programming-in-cpt1/

综上所述，我会加载您最喜欢的嵌入式 linux 发行版（根据您的要求，可能首选已打补丁的 RT）并称其为好。

Answer 2

https://www.cl.cam.ac.uk/projects/raspberrypi/tutorials/os/ 是一个很好的教程，因为他们会告诉你在裸机上运行代码的最好的快速和肮脏的方法是劫持 linux 发行版，到这样做，只需编译为 kernel.img（使用适当的体系结构选项）并使用它来替换 linux 发行版中的现有版本对于本教程的这一部分，您可以转到： https://www.cl.cam.ac.uk/projects/raspberrypi/tutorials/os/ok01.html#pitime

Answer 3

Pi 对于您想要做的事情可能有点次优，因为 SoC 设计使得 ARM CPU 是第二个-class 公民 - 这意味着有一些箍跳过去获取裸机程序运行。

但是，您可以稍微作弊并使用 U-Boot API 让您访问 U-Boot 提供的一些功能，但能够在旁边添加您自己的功能。

Answer 4

全自动最小裸机信号灯示例

在 Ubuntu 16.04 主机上测试，Raspberry Pi 2.

https://github.com/dwelch67/raspberrypi is the most comprehensive example set I've seen to date (previously mentioned on this now deleted answer)，但这是一个易于设置的 hello world，可帮助您快速入门。

用法：

在主机上插入 SD 卡
制作图片：
```
./make.sh /dev/mmblck0 p1
```
其中：
- /dev/mmblck0是SD卡的设备
- p1是设备的第一个分区(/dev/mmblck0p1)
在 PI 上插入 SD 卡
关闭电源再打开

GitHub 上游：https://github.com/cirosantilli/raspberry-pi-bare-metal-blinker/tree/d20f0337189641824b3ad5e4a688aa91e13fd764

start.S

.global _start
_start:
    mov sp, #0x8000
    bl main
hang:
    b hang

main.c

#include <stdint.h>

/* This is bad. Anything remotely serious should use timers
 * provided by the board. But this makes the code simpler. */
#define BUSY_WAIT __asm__ __volatile__("")
#define BUSY_WAIT_N 0x100000

int main( void ) {
    uint32_t i;
    /* At the low level, everything is done by writing to magic memory addresses.
    The device tree files (dtb / dts), which are provided by hardware vendors,
    tell the Linux kernel about those magic values. */
    volatile uint32_t * const GPFSEL4 = (uint32_t *)0x3F200010;
    volatile uint32_t * const GPFSEL3 = (uint32_t *)0x3F20000C;
    volatile uint32_t * const GPSET1  = (uint32_t *)0x3F200020;
    volatile uint32_t * const GPCLR1  = (uint32_t *)0x3F20002C;

    *GPFSEL4 = (*GPFSEL4 & ~(7 << 21)) | (1 << 21);
    *GPFSEL3 = (*GPFSEL3 & ~(7 << 15)) | (1 << 15);
    while (1) {
        *GPSET1 = 1 << (47 - 32);
        *GPCLR1 = 1 << (35 - 32);
        for (i = 0; i < BUSY_WAIT_N; ++i) { BUSY_WAIT; }
        *GPCLR1 = 1 << (47 - 32);
        *GPSET1 = 1 << (35 - 32);
        for (i = 0; i < BUSY_WAIT_N; ++i) { BUSY_WAIT; }
    }
}

ldscript

MEMORY
{
    ram : ORIGIN = 0x8000, LENGTH = 0x10000
}

SECTIONS
{
    .text : { *(.text*) } > ram
    .bss : { *(.bss*) } > ram
}

make.sh

#!/usr/bin/env bash

set -e

dev="${1:-/dev/mmcblk0}"
part="${2:-p1}"
part_dev="${dev}${part}"
mnt='/mnt/rpi'

sudo apt-get install binutils-arm-none-eabi gcc-arm-none-eabi

# Generate kernel7.img
arm-none-eabi-as start.S -o start.o
arm-none-eabi-gcc -Wall -Werror -O2 -nostdlib -nostartfiles -ffreestanding -c main.c -o main.o
arm-none-eabi-ld start.o main.o -T ldscript -o main.elf
# Get the raw assembly out of the generated elf file.
arm-none-eabi-objcopy main.elf -O binary kernel7.img

# Get the firmware. Those are just magic blobs, likely compiled
# from some Broadcom proprietary C code which we cannot access.
wget -O bootcode.bin https://github.com/raspberrypi/firmware/blob/597c662a613df1144a6bc43e5f4505d83bd748ca/boot/bootcode.bin?raw=true
wget -O start.elf https://github.com/raspberrypi/firmware/blob/597c662a613df1144a6bc43e5f4505d83bd748ca/boot/start.elf?raw=true

# Prepare the filesystem.
sudo umount "$part_dev"
echo 'start=2048, type=c' | sudo sfdisk "$dev"
sudo mkfs.vfat "$part_dev"
sudo mkdir -p "$mnt"
sudo mount "${part_dev}" "$mnt"
sudo cp kernel7.img bootcode.bin start.elf "$mnt"

# Cleanup.
sync
sudo umount "$mnt"

QEMU 友好的裸机示例

闪光灯的问题是在 QEMU 中很难观察到 LED：https://raspberrypi.stackexchange.com/questions/56373/is-it-possible-to-get-the-state-of-the-leds-and-gpios-in-a-qemu-emulation-like-t

在这里，我描述了一些可能感兴趣的裸机 QEMU 设置：写入 UART 是从 QEMU 获取输出的最简单方法。

QEMU 模拟 Raspberry Pi 的效果可以从以下部分推断出来：因为即使 Linux 终端出现了，很可能你的裸机也能工作。

奖金

这里有一个 x86 示例供好奇者参考：How to run a program without an operating system?

如何运行一个在 Raspberry Pi 上没有 OS 的 C 程序？

How to run a C program with no OS on the Raspberry Pi?

c

embedded

arm

low-level

raspberry-pi

如何 运行 一个在 Raspberry Pi 上没有 OS 的 C 程序？

How to run a C program with no OS on the Raspberry Pi?

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如何运行一个在 Raspberry Pi 上没有 OS 的 C 程序？