newlib库介绍以及底层调用研究
0赞这段时间在研newlib，因为这个涉及到裸机编程时，如何使用c运行库。
newlib是一个面向嵌入式系统的c运行库。在裸机如果想要实现c运行库，那么newlib是最好的一个选择。而且newlib可以集成到gcc交叉编译器中，在使用gcc的时候，直接链接newlib库，生成可执行文件。
对于如下的代码：
使用aarch64-none-elf-gcc工具，直接编译的话，那么会有报错信息。
aarch64-none-elf-gcc hello.c –o hello.elf |
提示，有些符号找不到。
这些符号，是使用newlib库时，需要自己实现的桩函数，包括了_write，_close函数等等。因为newlib库，并不知道裸机底层，是如何实现这些操作的。
那么，newlib库中提供的函数，在我们编程的时候，又是如何调用的了。下面，就来详细，解析一下。
这里，我们以riscv-newlib这个github上托管的开源代码库为例，来说明。该版本库的github地址为https://github.com/riscv/riscv-newlib。
以调用write函数为例。在linux中，我们可以使用man 2 write，来查看write函数的使用。
write函数，总共3个参数，第一个是文件描述符，第二个是字符串，第三个是字符串长度。
如果我们在程序中，调用了write函数，那么就会调用newlib库中的write函数。该函数实现在 newlib/libc/syscalls/syswrite.c 中。
/* connector for write */ #include <reent.h> #include <unistd.h>
_READ_WRITE_RETURN_TYPE write (int fd, const void *buf, size_t cnt) { return _write_r (_REENT, fd, buf, cnt); } |
在write函数中，会调用_write_r函数。
而_write_r函数，也实现在newlib库中。函数实现在newlib/libc/reent/writer.c中。
_ssize_t _write_r (struct _reent *ptr, int fd, const void *buf, size_t cnt) { _ssize_t ret;
errno = 0; if ((ret = (_ssize_t)_write (fd, buf, cnt)) == -1 && errno != 0) ptr->_errno = errno; return ret; } |
_write_r函数，带有_r后缀，表示该函数是可重入函数，也就是无论调用多少次，结果都是一样的。该函数，内部调用了_write函数。可重入函数，实现在reent目录下。
而_write函数，是没有实现在libc中的，而是在libgloss中。
在newlib库的顶层，有libgloss目录。
newlib官网上，介绍了libgloss和main newlib的关系。可以这样认为，libgloss是底层的驱动实现，而main lib是有硬件平台无关的通用功能实现。
在libgloss下，以各个硬件平台为文件夹，进行组织的。这里我们关心aarch64。在aarch64目录中，有syscalls.c文件，里面，就实现了newlib需要的各个桩函数。
在这个文件中，我们可以看到定义了newlib需要的桩函数。
/* Forward prototypes. */ int _system (const char *); int _rename (const char *, const char *); int _isatty (int); clock_t _times (struct tms *); int _gettimeofday (struct timeval *, void *); int _unlink (const char *); int _link (void); int _stat (const char *, struct stat *); int _fstat (int, struct stat *); int _swistat (int fd, struct stat * st); caddr_t _sbrk (int); int _getpid (int); int _close (int); clock_t _clock (void); int _swiclose (int); int _open (const char *, int, ...); int _swiopen (const char *, int); int _write (int, char *, int); int _swiwrite (int, char *, int); int _lseek (int, int, int); int _swilseek (int, int, int); int _read (int, char *, int); int _swiread (int, char *, int); void initialise_monitor_handles (void); |
我们来看_write函数的实现。
/* fd, is a user file descriptor. */ int _write (int fd, char *ptr, int len) { int res; struct fdent *pfd; pfd = findslot (fd); if (pfd == NULL) { errno = EBADF; return -1; } res = _swiwrite (pfd->handle, ptr, len); /* Clearly an error. */ if (res < 0) return -1;
pfd->pos += len - res; /* We wrote 0 bytes? Retrieve errno just in case. */ if ((len - res) == 0) return error (0); return (len - res); } |
里面核心，调用了_swiwrite函数。_swiwrite函数，实现如下：
/* fh, is a valid internal file handle. Returns the number of bytes *not* written. */ int _swiwrite (int fh, char *ptr, int len) { param_block_t block[3]; block[0] = fh; block[1] = POINTER_TO_PARAM_BLOCK_T (ptr); block[2] = len; return checkerror (do_AngelSVC (AngelSVC_Reason_Write, block)); } |
在svc.h文件中，有定义相关的do_AngelSVC，AngelSVC_Reason_Write的实现。
/* Now the SWI numbers and reason codes for RDI (Angel) monitors. */ #define AngelSVC 0xF000 #define AngelSVCInsn "hlt" #define AngelSVCAsm hlt
/* The reason codes: */ #define AngelSVC_Reason_Open 0x01 #define AngelSVC_Reason_Close 0x02 #define AngelSVC_Reason_WriteC 0x03 #define AngelSVC_Reason_Write0 0x04 #define AngelSVC_Reason_Write 0x05
/* Type of each entry in a parameter block. */ typedef long long param_block_t;
static inline long long do_AngelSVC (int reason, param_block_t * arg) { long long value; asm volatile ("mov w0, %w1; mov x1, %2; " AngelSVCInsn " %3; mov %0, x0" : "=r" (value) /* Outputs */ : "r" (reason), "r" (arg), "n" (AngelSVC) /* Inputs */ : "x0", "x1", "x2", "x3", "x17", "x30", "memory", "cc" /* Clobbers x0 and x1, and lr if in supervisor mode */); return value; } |
do_AngelSVC是内嵌汇编。将内嵌汇编进行翻译，那么_swiwrite函数做了如下的一些事情：
- 第一个参数放到w0寄存器，值是0x05，表示系统调用原因是write
- 第二个参数放到w1寄存器，值是arg的地址，arg是一个数组，保存了write函数的三个参数。
- 执行hlt 0XF000
- 将返回数据，保存到value变量中
- 返回value变量值
从上可以看出，系统调用，是用hlt指令，来实现系统调用的。
如果要使用libgloss，那么就得要在异常处理程序，针对hlt 0xf000，这个系统调用，并且根据传参的w1寄存器的值，来实现对应的代码。这样newlib中的库函数，才能够正常的使用。
但是在实际中，我们是可以不用libgloss的，因为使用libgloss，需要使用系统调用，也就是会产生异常。我们可以直接去实现newlib需要的底层桩函数，比如_write，_open这些函数。
比如_write函数，实现打印的功能，那么将数据，打印到uart寄存器中即可。假设uart数据寄存器地址为0x13000000。
那么实现的代码可以如下：
int _write(int fd, char *ptr, int len) { int i; unsigned int *uart = (volatile unsigned int *)0x13000000; for(i=0; i<len; i++) *uart = ptr[i]; } |
这也是newlib库中，为什么要有newlib与main newlib的原因。在aarch64-none-elf-gcc编译器中，在工具编译的时候，就没有带上libgloss库，所以将来在编译程序的时候，是不会链接libgloss库，因此编译hello.c，会有报错信息。
在编译的时候，可以加上-v参数，可以查看编译过程：
aarch64-none-elf-gcc -v hello.c -o hello.elf |
信息如下：
输出信息里面，没有带gloss。说明链接，没有使用libgloss库。
但是如果用riscv64-unknown-elf-gcc工具编译hello.c文件，那么是可以直接成功。
riscv64-unknown-elf-gcc -v hello.c -o hello.elf |
信息如下：
输出信息中，有gloss，说明链接，是带有libgloss库进行链接，因此链接能够成功，最终生成hello.elf。
