semihosting

Semihosting(半主機)

What is semihosting?

使用ARM所開發的目標系統(target system)，不一定會提供所有的輸入/輸出設備。因此ARM公司設計了Semihost這種機制，讓運行ARM debugger的主機可以與目標系統進行I/O溝通，以利產品開發。例如:可以透過呼叫printf()將資料列印到主機螢幕，而呼叫scanf()可以讀取主機鍵盤的輸入。如下圖:

Semihosting原理

Semihost的實作是透過使用定義好的軟體中斷(SVCs)，使程式在執行過程中產生中斷。一旦目標系統上的程式呼叫到對應的指令(semihosting call)，便產生軟體中斷，接著Debug Agent 就會負責處理此中斷，進行與主機的溝通。由 ARM 所提供的 Debug Agent有以下幾個:

l   RealView ARMulatorR ISS (RVISS),

l   Instruction Set System Model (ISSM),

l   RealView ICE,

l   Multi-ICER, or

l   RealMonitor

當Debug Agent處理指令時，可以經由SVC的中斷編號得知，此次的軟體中斷是否屬於 semihost request。其對應的編號可能是 0xAB或0x123456

l   SVC  0x12346 (in ARM state)

l   SVC  0xAB (in thumb state)

l   BKPT  0xAB (for ARMv7-M, Thumb2-only)

每個semihosting request都有一個對應的號碼(semihosting operation number)用來表示其運作方式。為了要區別這些不同的運作方式，ARM定義，當使用semihosting request 時，r0用來傳送此運算型態，而r1則用來傳送其他的參數。而其執行結果則透過r0回傳。

Semihost 目前所支援的運作方式如下：

SVC	Description
SYS_OPEN (0x01)	Open a file on the host
SYS_CLOSE (0x02)	Close a file on the host
SYS_WRITEC (0x03)	Write a character to the console
SYS_WRITE0 (0x04)	Write a null-terminated string to the console
SYS_WRITE (0x05)	Write to a file on the host
SYS_READ (0x06)	Read the contents of a file into a buffer
SYS_READC (0x07)	Read a byte from the console
SYS_ISERROR (0x08)	Determine if a return code is an error
SYS_ISTTY (0x09)	Check whether a file is connected to an interactive device
SYS_SEEK (0x0A)	Seek to a position in a file
SYS_FLEN (0x0C)	Return the length of a file
SYS_TMPNAM (0x0D)	Return a temporary name for a file
SYS_REMOVE (0x0E)	Remove a file from the host
SYS_RENAME (0x0F)	Rename a file on the host
SYS_CLOCK (0x10)	Number of centiseconds since execution started
SYS_TIME (0x11)	Number of seconds since January 1, 1970
SYS_SYSTEM (0x12)	Pass a command to the host command-line interpreter
SYS_ERRNO (0x13)	Get the value of the C library errno variable
SYS_GET_CMDLINE (0x15)	Get the command-line used to call the executable
SYS_HEAPINFO (0x16)	Get the system heap parameters
SYS_ELAPSED (0x30)	Get the number of target ticks since execution started
SYS_TICKFREQ (0x31)	Determine the tick frequency

Semihost operation number的定義

l   0x00 to 0x31 (提供ARM使用，其功能參考上表)

l   0x32 to 0xFF (保留以後供ARM使用)

l   0x100 to 0x1FF (保留供其他應用使用,此部份不會被ARM使用，若要開發自己的軟體中斷可以使用此部分)

l   0x200 to 0xFFFFFFFF (未定義，強烈建議不要使用此部份)

Semihosting in NXP LPC1114

以板子NXP LPC1114(Cortex-M0) 為例，其範例已經提供了一個debug_printf.c的檔案，只要直接在開發專案中加入此檔案，並且連結small_printf.lib，就可以使用semihost的功能。執行畫面摘錄如下：

註1：此處SVC = SWI

註2：semihosting calls對應的指令，若是ARM7則使用SWI或SVC指令。若是Cortex-M3 則使用 BKPT指令。

參考資料

1.          The semihosting interface