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CS107e: 树莓派,ARM 和操作系统

CS107e 全称为 CS107e: Computer Systems from the Ground Up,是斯坦福大学的一门计算机课程,也是我目前为止发现的最好的关于硬件、底层和 C 的一门课程。

在课程学习过程中,我们会一步一步地从头开始使用 C 为树莓派开发一个操作系统核心。

根据官方的介绍,这门课程主要学习目标有两个:

  1. To understand how computers represent information, execute programs, and control peripherals. 理解计算机是怎样存储信息,执行程序以及控制外围设备。
  2. To master command-line programming tools and the C programming language. 掌握命令行编程工具和 C 语言。

覆盖如下的知识点:

  • the ARM arcitecture ARM 体系结构
  • assembly language and machine-level code 汇编语言和机器代码
  • the C programming language C 语言
  • compilation, linking and loading 编译、链接和装载(实际上没有真正的“装载“)
  • debugging 调试
  • memory organization and management 内存组织和管理
  • controlling peripherals: GPIO, graphics, sound, and keyboards 控制外设:GPIO, 显示屏,声音和键盘(其实没有关于声音的内容,其他都有涉及)

如果你和我一样,对底层十分感兴趣,想知道计算机在最底层到底在发生什么,那么,不要犹豫,这门课程是你下个假期最好的礼物🎁。

从上大学开始,我就对底层十分感兴趣,事实上我对所有事物最本质的原理都很感兴趣😉。

我在初中的时候就确定了自己以后的专业方向,计算机科学或者是生命科学。这两个在当时的我看来都是非常神奇的领域,我想不明白它们是怎么回事。为什么计算机可以播放声音显示画面?上网又是怎么做到的?为什么小小的细胞有那么复杂的结构?细胞之间为什么可以如此紧密地协调配合?

小学六年级的时候我拥有了第一台自己的台式机,虽然也用来玩玩游戏(永远的英雄传说空之轨迹,当年带给了我巨大的震撼),但是更多的时间都是花在捣腾这台机器上了。那个时候最喜欢做的事情有两件:

第一是装机。当时一窍不通,只知道 Windows 会越用越卡,隔一段时间就要装机。一开始是家长找人过来装,我在旁边观摩。慢慢地总结了一套规律:放入光盘,开机按住 DELETE 键,进入一个页面,然后调整什么 BOOT 为 CDROM,然后保存退出就进入了一个引导页面,选择安装就行了。

好像也不是很难嘛,虽然我完全不懂这里面每个步骤是在干嘛,但我感觉自己已经掌握了这项重要的技巧🤓。于是自己买盗版碟回来实验,居然也成功了。从此一度成为班上的装机小子,逢人便问:电脑卡不卡?要不要我帮你装个机?一台机器,装机前卡顿不堪,装机后丝般顺滑,我感觉自己就是一个救死扶伤的电脑大夫😎。

当然,毕竟我没有真才实学,一度经常翻车。有时候找不到 BOOT 选项,有时候光盘放进去了没反应,还有的时候装到一半卡住了。遇到这种情况我都会这样解释:你家这个电脑不太行,我帮谁谁谁装都没有问题,我建议你找个人过来把电脑修修😂。然后我就溜之大吉了,当然心里是非常愧疚的,毕竟把人家电脑装坏了,人家没法用了。

那个时候我就特别想学真正的”装机功夫“,装机到底怎么回事?为什么会出现那些问题?是不是光盘不太对?什么样的光盘才是比较对的?年少的我心中充满了疑问。后来听说我一个同学的朋友是装机高手,家里是电脑城的背景,还参加过什么计算机比赛。我心想,机会来了,是时候拜师学艺了。为此求我同学引荐并且花了 50 元人民币(对于当时的我来说是一笔巨资了)作为拜师费,在一个夏日的午后去师傅家里学手艺。结果让我非常失望,事实证明师傅也没什么真才实学,说的都是我会的那一套,完全解答不了我的疑惑。人生第一次”知识付费“就这么被坑了。

第二是学习各种“黑客技巧”。当时在书城买了很多书,什么《黑客攻防大全》,什么《QQ盗号宝典》,现如今有几本还保留在我的书柜上。对着书上的链接下载各种乱七八糟的软件然后准备“盗号”(我估计电脑说不定就是这么卡的)。一本书翻下来,除了记住了几个名词,什么 192.168.0.1,什么端口,什么 IP,其他什么也没学到(学到就出鬼了,什么基础知识都没有)。现在想想,倒也庆幸,要是我当时坚持不放弃,万一运气好在网上遇到了某个师傅带带我不小心学成了,现在估计也是刑满释放人员了😂。

总之,这台台式机影响了我的一生,让我对计算机产生了浓厚的兴趣,可以说是为之着迷。

大学的时候虽然也学过一些底层相关的课,比如汇编和操作系统原理,但是和硬件都离的很远,最多是在模拟器里运行,始终是隔了一层面纱。

CS107e 让我如此喜欢的原因就在于,它把计算机的本质彻底地暴露在你面前,所有的抽象全部拿掉,你接触的就是最原始的硬件。没有操作系统,没有各种库,没有键盘,没有鼠标,没有显示器,一切从头开始。

因为是真正的硬件,我们需要自己动手去绕线,去组装电路,这种动手的乐趣和软硬件的结合,对我来说简直太有趣了。

从控制树莓派点亮一盏灯:

到加上一个按钮实现开关:

再到实现自己的 Larson Scanner:

从实现一个简单的时钟:

到驱动 PS2 键盘:

从绘制简单的图形:

到实现完整的 Shell:

每一步都充满了乐趣和挑战。

cs107e-review 仓库是我的学习笔记,这门课程前后大概花了一年时间才学完。所有的问题、作业和扩展作业,我都给出了自己的解答,不一定完全正确,但是可以给需要的人参考。

笔记是用英文写的,因为想锻炼一下自己的英文写作。这门课程在不停的更新,我学习的版本是 Winter 2020。考虑到对照笔记去看最新的课程,可能会对应不上,所以我把 Winter 2020 版本的课程归档了一份,放在了 这里

课程用到的树莓派有点老旧,是 2014 年的 Model A+ v1.1,目前已经停产了。但是如果要学习课程一定要买这个型号,否则很多代码都会无法运行。可以试着在二手市场上找找,其他的电子元件都是常用元件,很好购买。

最终的 Final Project 我还没有开始,目前计划是把课程中最后的 Shell 以及相关所有的代码全部迁移到树莓派比较新的型号 Model 3B 上。Model A+ v1.1 和 Model 3B 在底层有很多不一致,需要查阅手册一点一点去调试,还是很有挑战的。

最后,简单总结一下在这门课程中我学到的知识。

首先是树莓派和电路基本知识。

  • 树莓派的每个 引脚 是干什么的
  • GPIO 是什么,UART 又是什么
  • 怎样使用树莓派,电阻,杜邦线,晶体管,开关来搭建电路
  • 树莓派的外设是怎样被驱动的
  • 阅读 BCM2835 ARM Peripherals(这本手册有很多错误 😂 一定要注意对照勘误)
  • 开关怎样接入,读取开关的值有什么问题需要注意
  • 什么是 Pull-up/Pull-down 电阻,为什么需要他们
  • 输出电压不变的情况下,怎样控制 LED 的亮度

然后就是 ARM 体系结构。

  • ARM 指令集的设计,认真看这本手册会受益匪浅 ARM Architecture Reference Manual
  • 函数调用在 CPU 级别是怎样实现的,调用完了怎样返回
  • ARM 怎样巧妙地编码立即数
  • ARM 指令集相比于 X86 的一些特色,比如所有的指令都可以带条件
  • CPSR 的使用,Carry 和 Overflow 标志分别代表什么意思,在什么场景下有意义
  • ARM 汇编阅读和编写
  • 在 PC 上运行 ARM 模拟器调试 ARM 汇编

接下来是 C 语言。大学时我很不喜欢 C 语言,觉得很难用。但是现在我很喜欢,学习 CS107e 的过程中,从汇编切换到 C 的时候,感觉 C 真是救世主。我喜欢 C 的控制感,对于有经验的 C 工程师来说,每写一行 C 都知道背后的汇编会是什么。

  • C 的工具链安装,arm-none-eabi-gcc 中的 arm-none-eabi 是什么意思
  • 编译,链接和入口函数
  • ELF 文件和反汇编
  • 怎样从 ELF 文件得到裸的 binary 用于树莓派执行
  • bss 段是用来做什么的,什么样的内容会放入 bss 段中
  • 链接是怎样的一个过程,什么是链接脚本,什么时候需要自己写链接脚本
  • 链接过程中不关心函数、变量,只关心符号,什么是符号,符号有哪些类型
  • ABI 到底是什么
  • Stack Trace 在底层是怎样实现的,如何做到从任意指令获取所在的函数名,然后再获取父函数名
  • 怎样实现自己的 printfmalloc
  • 怎样使用 GDB 来模拟 ARM 环境进行调试
  • 怎样分析优化 C 程序,在树莓派这样一个机能很弱的平台上,代码的效率至关重要

最后是一些硬件结合的相关知识。

  • 怎样使用 XMODEM 协议实现 UART 串口通信
  • PS2 接口的四根线分别有什么作用,数据是怎样发送的
  • 扫描码是什么,怎样读取 PS2 键盘发送过来的扫描码
  • HDMI 显示器要怎样驱动,framebuffer 是什么
  • 如何实现基本的绘图函数:画线,画三角形,画矩形,Bresenham’s Line Algorithm

学习这门课不需要太多的知识准备,只要能耐得下心看各种手册和文档。厚厚的手册往往让人望而生畏,但是这是获取知识最高效的途径,很多细节只能自己看手册去体会。

我至今没弄明白在函数调用的 bl 指令时发生中断,CPU 会向 lr 寄存器写入什么值?为什么在中断中 lr - 4 始终能返回到正确位置?这些细节问题是没法 Google 到的,只能自己某天在手册中看到了然后幡然领悟。

最后,向斯坦福大学 CS107e 课程小组致以深深的谢意。