Выполняем сторонние программы на микроконтроллерах с Гарвардской архитектурой: как загружать программы без знания ABI?

Зачастую в процессе разработки собственных устройств или моддинга уже существующих, встаёт задача выполнения стороннего кода: будь то ваши собственные программы с SD-флэшек, или программы, написанные другими пользователями с помощью SDK для вашего устройства. Тема компиляторов и кодогенерации достаточно сложная: чтобы просто загрузить ELF или EXE (PE) программу, вам нужно досконально разбираться в особенностях вашей архитектуры: что такое ABI, релокации, GOT, отличие -fPIE от -fPIC, как писать скрипты для ld и т. п. Недавно я копал SDK для первых версий Symbian и основываясь на решениях из этой ОС понял, каким образом можно сделать крайне «дешевую» загрузку любого нативного кода практически на любом микроконтроллере, совершенно не вникая в особенности кодогенерации под неё! Сегодня мы с вами: узнаем, что происходит в процессе загрузки программы ядром Linux, рассмотрим концепцию, предложенную Symbian Foundation и реализуем её на практике для относительно малоизвестной архитектуры — XTensa (хотя она используется в ESP32, детали её реализации «под капотом» для многих остаются загадкой). Интересно? Тогда добро пожаловать под кат!

Думаю, для многих моих читателей реализация процесса загрузки exe-программ и dll-библиотек в память процесса оставалась эдаким чёрным ящиком, в детали реализации которого вдаваться не нужно. Отчасти это так и есть: современные ОС разруливают процесс загрузки бинарников в память сами, не требуя от программиста вообще ничего, даже понимания того, куда будет загружена его библиотека или программа.

Давайте для общего понимания вкратце разберемся, как происходит загрузка программ в Windows/Linux:

1. Система создаёт процесс и загружает в память программы секции из ELF/PE. Обычные программы для своей работы используют 3 секции: .text (код), .data (не-инициализированный сегмент памяти для глобальных переменных), .bss (сегмент памяти для инициализированных переменных). Каждому процессу выделяется собственное адресное пространство, называемое виртуальной памятью, которое не позволяет программе испортить память ядра, а также позволяет не зависеть от разметки физической памяти на выполняющей машине. Концепцию виртуальной памяти реализует специальной модуль в процессоре, называемый MMU.

2. Если бы наши программы не использовали никаких зависимостей в виде динамических библиотек, то на этом процесс загрузки можно было бы закончить: каждая программа имеет свой адрес загрузки, относительно которого линкер строит связи между обращениями к коду/данным программы. Фактически, для самых простых программ линкеру остаётся лишь прибавить адрес загрузки программы (например, 0x100) к каждому абсолютному обращению к памяти.

Однако современные программы используют десятки библиотек и для всех предусмотреть собственный адрес загрузки не получится: кто-то где-то всё равно будет пересекаться и вероятно, портить память. Кроме того, современные стандарты безопасности в Linux рекомендуют использовать позиционно-независимый код, дабы использовать преимущества ASLR (Address Space Layout Randomization, или простыми словами возможность загрузить программу в случайное место в памяти, дабы некоторые уязвимости, завязанные на фиксированном адресе загрузки программы перестали работать).

3. Поэтому для решения этой проблемы придуман т. н. динамический линкер, который уже на этапе загрузки программы или библиотеки патчит программу так, чтобы её можно было загрузить в любой участок памяти. Для этого используются данные, полученные от обычного линкера а этапе компиляции программы: помимо .text, .data и .bss, линкер создаёт секции .rel и .rel-plt, которые называются релокациями. Если объяснять совсем условно, то релокации — это просто запись вида «какой абсолютный адрес в коде программы нужно пропатчить» -> «на какое смещение его пропатчить». Самая простая релокация выглядит вот так:

struct Relocation { int textOffset; int valueToPatch; }; ... *((int*)&code[rel.textOffset])) = rel.valueToPatch + loadAddress;

Где по итогу:

org 100h ; Было mov bx, 15 ; Стало mov bx, 271

.rel-plt же служит для резолвинга вызовов к dll/so: изначально программа ссылается на заранее определенные в процессе компиляции символы, которые уже в процессе загрузки патчатся на физические адреса функций из загруженной библиотеки.

И казалось бы — всё очень просто, пока в дело не вступают GOT (Global Offset Table — глобальная таблица смещений) и особенности реализации конкретного ABI. И ладно бы x86 или ARM, там всё разжевано и понятно, однако на других архитектурах начинаются проблемы и не всегда очевидно что и где за что отвечает.

А ведь чаще всего нужно просто загрузить небольшую программу, которой не нужны комплексные загрузчики: немного кода, немного данных и всё. И тут у нас есть три выхода:

Писать полноценный загрузчик ELF-бинарников. ELF может оказаться громоздким для некоторых окружений и его реализация может оказаться тривиальной не для всех.
Зарезервировать определенный сегмент в памяти (пусть с 0xFFF по 0xFFFF) и скомпилировать нашу программу с адресом загрузки 0xFFF с параметром -fno-pic. В таком случае, линкер сгенерирует обращения к памяти по абсолютным адресам — если переменная лежит по адресу 0xFFF, то программа будет обращаться сразу к этому адресу памяти, без необходимости что либо динамически линковать. Именно такой подход использовался во времена ZX Spectrum, Commodore 64 и MS-DOS (однако там роль «виртуальной памяти» выполняла такая особенность 8086, как сегменты). У такого подхода есть и минусы: относительная невозможность загрузки сразу нескольких программ одновременно, зарезервированное пространство линейно отъест небольшой кусок памяти у основной прошивки, нет возможности динамической аллокации секций. Зато такой код теоретически будет работать быстрее, чем PIC.

Проблемы реализации такого способа: иногда нужно лезть в систему сборки основной прошивки и патчить скрипт линкера так, чтобы он не трогал определенный регион памяти. В случае esp32, например, это требует патча в сам SDK и возможного «откола» от мейнлайн дистрибутива.
Использовать программу с относительной адресацией, однако без сегментов .bss и .data. Самый простой в реализации способ, который к тому же очень экономичен к памяти, позволяет загружать программу в любое место и пользоваться всеми фишками динамического аллокатора и не требует вмешательств в основную прошивку, кроме примитивного загрузчика программ. Именно его я и предлагаю рассмотреть подробнее.

Недавно мы сидели в чате ELF-сцены (разработка нативных программ под телефоны Siemens, Sony Ericsson, Motorola и LG с помощью хаков) и думали, как же можно реализовать загрузчик сторонних программ на практически неизвестных платформах. Кто-то предлагал взять ELF под основу — однако с его реализацией под некоторые платформы есть трудности, а кто-то предлагал писать «бинлоадер» — самопальный формат бинарников, который получается из, например, тех же эльфов.

В это же время я копал SDK для Symbian и хорошо помнил, что в прикладных приложениях для этой ОС нет поддержки глобальных переменных вообще. Да, сегмент .data и .bss полностью отсутствует — переменные предлагается хранить в структурах. Почему так сделано? Всё дело в том, что каждая программа в Symbian — это dll-библиотека, которую загружает EKA и создаёт экземпляр CApaApplication. И дабы была возможность загрузить dll один раз для всех программ (что справедливо для системных библиотек), ребята полностью выкинули возможность использования любых глобальных переменных. А ведь идея интересная!

Однако в таком подходе есть несколько серьезных ограничений:

Отсутствие глобальных переменных может стать проблемой при портированиии уже существующего софта, хотя вашим программам ничего не мешает передавать в каждую функцию структуру с глобальным стейтом, который можно при необходимости изменять. Кроме того, нет ограничений на использование C++ (за исключением необходимости ручной реализации new/delete и отсутствием исключений).
Отсутствие преинициализированных данных. Вот это уже может стать относительно серьёзной проблемой, у которой, тем не менее, есть свои обходные решения. Например если вы храните команды для инициализации дисплея в таблице, или какие-либо калибровочные данные — вы не сможете их объявить, просто используя инициализаторы в C. Тоже самое касается и строковых литерал. Тут есть два варианта: часть таблиц можно вынести на стек (если эти самые таблицы достаточно маленькие), либо подгружать необходимые данные из бинарника с помощью основной прошивки (например, LoadString и т. п.).

Давайте же на практике посмотрим, имеет ли право на жизнь такой подход!

Формат нашего бинарника будет до безобразия прост: небольшой заголовок в начале файла и просто сырой дамп сегмента .text, который можно экспортировать из полученного elf даже без необходимости писать скрипт для линкера. При этом нужно учесть, что ESP32 — это микроконтроллер частично Гарвардской архитектуры, т. е. шина данных и кода у него расположены отдельно. Однако у чипа есть полноценный MMU, который позволяет маппить регионы физической памяти в виртуальную память, чем мы и воспользуемся в итоге!Заголовок нашего бинарника будет выглядеть вот так:

unsigned short GetGlobalStateSize(); void Start(SysCall sysCall, GlobalState* state); typedef struct { int Header; unsigned short(*GetGlobalStateSize)(); void(*Start)(SysCall sysCall, GlobalState* ptr); } ExecutableStruct; ExecutableStruct header __attribute__ ((section (".text"))) = { 0x1337, &GetGlobalStateSize, &Start };

Программа общается с основной прошивкой посредством псевдо-syscall'ов: функции, которая в качестве первого аргумента ожидает номер нужной службы и один 32х-битный указатель для описания структуры с параметрами. Реализация syscall'ов — одна из самых простых и неприхотливых с точки зрения обратной совместимости с будущими прошивками.

void SysCall(unsigned short callNum, void* data) { printf("SysCall %d\n", callNum); }

Концептуально всё очень просто: GetGlobalStateSize сообщает нашему загрузчику размер структуры для хранения глобального стейта, в то время как Start уже фактически заменяет main() в нашей программе. Необходимости в crt0 нет, поскольку весь необходимый инит выполняет бутлоадер ESP32. Впрочем, при желании вы можете выделить отдельный стек для вашей программы — это повысит надежность, если выполняемая программа удумает испортить стек.

unsigned short GetGlobalStateSize() { return sizeof(GlobalState); } void Test2(SysCall sysCall) { sysCall(25, 0); } void Test3(SysCall sysCall) { sysCall(35, 0); } void Start(SysCall sysCall, GlobalState* state) { Test2(sysCall); Test3(sysCall); sysCall(15, 0); }

Собираем нашу программу:

xtensa-esp32-elf-cc.exe test.c -fno-pic -nostdlib -nostartfiles -Wl,--section-start=.text=0x0 xtensa-esp32-elf-objcopy.exe --only-section=.text --output-target binary a.out run.bin

-fno-pic отключает генерацию кода, зависимого от GOT, -nostdlib и -nostartfiles убирает из билда crt0 и stdlib, благодаря чему мы получаем только необходимый код. --section-start задает смещение для загрузки секции .text на 0x0 (в идеале это делать необходимо из скрипта для ld).objcopy скопирует из полученного ELF только необходимую нам секцию .text.

Как же это работает на практике? Давайте дизассемблируем выходной бинарник и посмотрим, что у нас дает на выхлопе cc:

Обратите внимание, что Start вызывает подфункции с помощью инструкции CALLX8, которая в отличии от обычного Immediate-версии CALL8, выполняет переход относительно текущего адреса в PC, благодаря чему переход полностью независим от адреса загрузки программы в памяти. А благодаря тому, что все данные, в том числе и указатель на глобальный стейт передаются через стек, нет необходимости релокейтить сегменты данных.

По итогу всё, что нужно от загрузчика бинарников — это загрузить программу в память для инструкций, выделить память для структуры с стейтом программы и передать управление Start. Всё!Конкретно в случае ESP32, у нас есть два возможных решения задачи загрузки программы в память:

Загрузить программу в IRAM. Такая возможность теоретически есть, однако на практике загрузчик ESP32 устанавливает права только на чтение и выполнение на данный регион памяти. Попытка что-то скопировать туда закончится исключением SIGSEGV. Кроме того, сегмент IRAM относительно небольшой — всего около 200Кб.
Самопрограммирование. Для этого, в esp32 есть два механизма — Partition API и SPI Flash API. Я выбрал Partition API для простоты реализации.

Для нашей прошивки необходимо будет переразметить флэш-память. Для этого запускаем idf.py menuconfig, идём в Partition Table -> Custom partition table CSV. Создаём в папке проекта partitions.csv, куда пишем:

# ESP-IDF Partition Table # Name, Type, SubType, Offset, Size, Flags nvs, data, nvs, 0x9000, 0x6000, phy_init, data, phy, 0xf000, 0x1000, factory, app, factory, 0x10000, 1M, executable, data, undefined, 0x110000, 0x10000

Для заливки программы можно использовать соответствующее Partition API, либо parttool.py:

parttool.py --port "COM41" write_partition --partition-name=executable --input "run.bin"

Переходим к загрузчику программы:

bool ExecuteBinary(int length) { const esp_partition_t* partition = esp_partition_find_first(ESP_PARTITION_TYPE_DATA, ESP_PARTITION_SUBTYPE_ANY, "executable"); if(partition <= 0) { printf("Failed to get executable partition\n"); return 0; } void* mmappedPtr = 0; esp_partition_mmap_handle_t handle; esp_err_t err = esp_partition_mmap(partition, 0, length, ESP_PARTITION_MMAP_INST, &mmappedPtr, &handle); printf("Mapped program to instruction address space: %d\n", (int)mmappedPtr, (int)err); // Fix pointers ExecutableStruct e = *((ExecutableStruct*)mmappedPtr); e.GetGlobalStateSize += (unsigned int)mmappedPtr; e.Start += (unsigned int)mmappedPtr; if(e.Header != 0x1337) { printf("Header mismatch (got %d)\n", e.Header); return 0; } unsigned short stateSize = e.GetGlobalStateSize(); if(stateSize < 1) { printf("GetGlobalStateSize returned 0. Is it desired behaviour?\n"); } void* data = malloc(stateSize); printf("Allocated program state of %d bytes\n", stateSize); if(!data) { printf("Failed to allocate program state of size %d\n", stateSize); return 0; } e.Start(&SysCall, data); free(data); return 1; }

Прошиваем ESP32:

idf.py build idf.py flash idf.py monitor

И смотрим результат:

SysCall 25 SysCall 35 SysCall 15

Всё работает!

Как видите, ничего сложного в выполнении сторонних программ при условии соблюдении некоторых ограничений нет. Да, в таком подходе есть как серьезные плюсы, так и минусы, однако он делает своё дело и позволяет реализовать запуск игр на кастомных игровых консолях, или сторонних программ на самодельных компьютерах. Ну и конечно же не стоит забывать про плагины! Авось в вашем решении нужна возможность расширения функционала устройства, однако предоставлять исходный код или даже объектные файлы нет возможности — тогда вам может пригодится и такая методика.

Пожалуй, стоит упомянуть ещё один… очень своеобразный метод, который я иногда встречаю при реализации самодельных компьютеров. Люди пишут… эмуляторы 6502/Z80 :)И если такой подход ещё +- применим к ESP32, то в AVR просадки производительности будут слишком серьезными. Так зачем, если можно использовать все возможности ядра на максимум?

Материал подготовлен при поддержке TimeWeb.Cloud. Подписывайтесь на меня и Таймвеб, дабы не пропускать новые статьи каждую неделю!

#monobogdan_ништячки #девайсы #гаджеты #микроконтроллеры #мк #esp32 #elf #linux #unix #gcc #компиляторы #ассемблер #линкер #компоновщик #embedded #железо

22 комментария

monobogdan Мобилкин-консолькин

5 янв

Автор

Вот такой вот достаточно узконаправленный материал сегодня получился. Не претендую, что материал станет достаточно успешным, но полагаю кому-то всё же будет интересно. С другой стороны, меня просто удивляют некоторые проекты компьютеров из МК: люди реально пишут эмуляторы иных архитектур, вместо того чтобы использовать возможности целевого МК на максимум!

Собственно, почему бы и не поделится своим видением!?

Ответить

В следующей статье вас ждёт легенда своих лет: Nokia N-Gage QD, с ремонтом и рассказом о типовых болячках смартфонов Nokia тех лет, ковырянии в Symbian SDK и попытках написать игру под эту платформу. Мы рассмотрим некоторые особенности Symbian и попробуем разобраться, почему эта система проиграла войну с Android и iOS!

И хардварно оживил, и софтварно обогатил :)