Implementar `printf` sin SO: uso de la biblioteca estándar de C en un entorno Bare Metal

• Introducción a un método para usar funciones estándar de C, incluido printf, incluso sin sistema operativo, aprovechando la biblioteca Newlib
• En un entorno Bare Metal basado en la arquitectura RISC-V, se implementan directamente el driver UART y las funciones de asignación de memoria para conectarlos con Newlib
• Con solo implementar un conjunto mínimo de llamadas al sistema como _write, _sbrk, _close, etc., es posible usar funciones avanzadas como printf
• Guía para crear un toolchain basado en Newlib, incluyendo cómo construir automáticamente el toolchain GCC para RISC-V y escribir el script de enlace
• Como resultado, se logró construir un entorno de printf donde funcionan la salida por UART, la entrada con scanf y la asignación dinámica de memoria

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Abstracciones de software y biblioteca estándar de C

• En un SO convencional, al llamar a printf entran en juego diversas capas de abstracción como llamadas al sistema del kernel, la capa de terminal y el renderizado de fuentes
• En un entorno Bare Metal, es necesario controlar la E/S directamente sin sistema operativo, por lo que se requiere implementar los drivers manualmente
• Newlib ofrece una configuración extensible en la que, en lugar de implementar toda la biblioteca estándar de C, solo se implementa la funcionalidad mínima

Concepto de Newlib

• Internamente, printf se implementa sobre funciones primitivas simples como _write
• En Newlib, al inicio todas las funciones están definidas como stubs, y si solo se implementan las partes necesarias, el resto puede usar los valores predeterminados
• Si el desarrollador implementa solo las funciones que necesita, puede usar de forma flexible las capacidades de la biblioteca de C

Toolchain de compilación cruzada

• Para compilar de forma cruzada de x86_64/Linux → RISC-V, es necesario construir directamente desde el código fuente de GCC
• Se configura un toolchain con Newlib como biblioteca de C predeterminada para poder generar binarios para RISC-V

Detalles del toolchain

• Al construir el toolchain se usan las opciones --prefix, --enable-multilib, --disable-gdb, --with-cmodel=medany
• medany es una configuración que en RISC-V permite acceder a regiones de memoria con direcciones altas
• Una vez finalizada la compilación, se puede usar el cross-compiler y la biblioteca Newlib desde la ruta /opt/riscv-newlib

Implementación de los bloques base de memoria y UART

• Se implementa la transmisión y recepción de caracteres accediendo directamente a la dirección del hardware UART 16550A en el entorno QEMU
• Se conecta con Newlib mediante funciones sustitutivas de llamadas al sistema como _write, _sbrk, _close, etc.
• _sbrk funciona extendiendo la memoria heap desde _end hasta _stack_bottom

Ejemplo de aplicación: entrada y salida

• En la función main se pueden usar printf y scanf, y los valores de entrada también se procesan correctamente
• No se admite echo, pero es posible recibir y mostrar cadenas mediante scanf
• Se implementa un runtime independiente que inicializa la pila, hace zero-fill de la sección BSS y luego llama a main

Script del enlazador

• La dirección de inicio de ejecución es 0x80000000, y el código del runtime se ubica en esa posición
• La memoria se organiza en el orden .text, .rodata, .data, .bss, y el heap se configura desde _end hasta antes de la pila
• La pila tiene un tamaño fijo de 64KB, y la dirección superior es 0x80000000 + 64MB
• Se evita la colisión entre heap y pila mediante la sentencia ASSERT

El momento del “gotcha”

• Al configurar el toolchain, se debe usar --with-cmodel=medany para que sea posible generar instrucciones de máquina capaces de manejar direcciones por encima de 0x80000000
• Si la biblioteca de C y el código de la aplicación usan modelos de direcciones distintos, se producen errores de enlace

Ejecutar la aplicación

• Con un Makefile es posible automatizar la compilación cruzada y la ejecución en QEMU
• Con las opciones -specs=nosys.specs, -nostartfiles, -T link.ld se usa la configuración mínima de Newlib y un runtime definido por el usuario
• Al ejecutar make debug, la entrada y salida por UART funcionan correctamente en la consola de QEMU
• A través de qemu_debug.log se puede verificar el trazo real de instrucciones

Conclusión

• Se implementó con Newlib una estructura que permite usar printf, scanf, malloc, etc. incluso sin sistema operativo
• La estrategia clave es aprovechar la estructura basada en bloques de construcción de Newlib e implementar solo lo necesario, con el mínimo indispensable
• Más adelante también se pueden agregar funciones adicionales como sistema de archivos o gestión de memoria, y seguir reutilizándolo en Bare Metal manteniendo la compatibilidad con la biblioteca
• El resultado total del proyecto ocupa alrededor de 220KB, un tamaño relativamente pequeño y eficiente

Código fuente en GitHub: popovicu/bare-metal-cstdlib