December 31, 2009
2010 年免費課程：親手打造 ARM 平台的 Boot Loader
今年很榮幸能將 [探索嵌入式 ARM 平台與 SoC] (Part I / II) 議程告一段落，試圖以淺顯又直觀的方式，去探討 ARM 硬體特性與原理，佐以筆者開發的 [CuRT] 小型即時多工作業系統，作為探索架構與軟體驗證的對象，當時已探討 ARM 架構、ARM SoC 平台、關鍵概念 (工作模式、暫存器組、系統狀態、指令集、例外處理等等)，並以執行於 ARM SoC 的 CuRT，探討硬體啟動程序與 ARM 原理。2010 年會再接再厲，推出另一個姊妹議程：「親手打造 ARM 平台的 Boot Loader」，顧名思義，就是能打造微小但完整的 boot loader，從而探討箇中關鍵技術。筆者選定由 [0xlab] 所維護的 [Qi boot loader] 作為基礎，在六月份的 FreedomHEC Taipei 議程中，筆者也共同發表 [Qi - Lightweight Boot Loader Applied in Mobile and Embedded Devices]，當時探討的是設計哲學，如今筆者將要從 ARM 平台與 SoC 的角度切入，探索「親手打造」的高掌握度。議程使用的硬體是 [Beagleboard]，這是一塊基於 TI OMAP353x 平台的開發板，物超所值且背後有廣大開放社群資源，[0xlab] 的開發者很快就將 [Qi boot loader] 移植到 Beagleboard 上，並提供 ARM Cortex A8 的 OpenOCD 支援，如此「從零到有」又相對率直的歷程，很值得探索，這也是筆者準備此議程的想法。
[探索嵌入式 ARM 平台與 SoC] 目標是全面性的探討 ARM 硬體特性與原理，關於實做層面，會依賴 QEMU 來驗證，而「親手打造 ARM 平台的 Boot Loader」則在實體機器上作開發，不過筆者也會提供 QEMU 系統模擬的方式作為輔助使用。預計探討的題材有：
- ARM Bootcamp -- Stepping stone, Low-level init
- ARMv7 (Cortex A8) 工作模式的設定
- OMAP3 的週邊，如 i2c, serial, clock
- 檔案系統實做，支援 boot from SD
December 30, 2009
2010 年免費課程：以 GDB 重新學習 C 語言程式設計
本月終於將「深入淺出Hello World」系列演講與在修平技術學院開的「Unix 系統程式設計」課程，告一段落，果然如胡適所說：「發表是最好的記憶」一般，過程中又扎實將這些基礎知識回顧。感謝捧場與指教，促使小弟決定在 2010 年準備新的課程，預定為「以 GDB 重新學習 C 語言程式設計」。若說之前「我所知道的 C 語言」是從「鑑賞」的角度出發，以修辭學之於經典文學作品的態度，去探索知名 C 語言程式的設計概念，那麼，來年的新課程將是著重於融會貫通的「實踐」與「批判」，選定 GNU/Linux 平台，以 GNU Debugger (GDB) 來貫穿議程。稍早拜讀過陳重嘉先生的《C 語言之修煉與實踐》一書，著實有相見恨晚的感觸，書中透過清楚的圖表，將 C 語言程式設計的技巧與考量點，做了很清楚的展現，然而，執行時期的表現，更是筆者想強調的。故，筆者自 2006 年起，一系列的技術演講，涉及系統工具使用、分析、追蹤，以及後設開發，意旨在引導與會者得以對 GNU/Linux 尋幽訪勝，進而知曉系統運作之原理，而在 [0xlab] 內部的技術分享中，Thinker 前輩也分享過 gdb 與 Android 系統追蹤分析的高階技巧，這些都給筆者極大的動力，試圖彙整開發經驗並探討。「以 GDB 重新學習 C 語言程式設計」的課程設計會比照在修平技術學院講「Unix 系統程式設計」的模式，不採用零星的範例小程式，相反地，強調 John Dewey 博士注重「做中學」的教育方法，教育才要注重實際經驗，要從做中學習，給定一個具體而微的 Embedded AJAX 系統作出發，透過 gdb 去追蹤分析，進而作擴充，預期將掌握 UNIX 系統與 C 語言程式開發的技巧。具體來說，就是從筆者提供的簡單的 web server + CGI (純 C 語言 + POSIX 系統呼叫實做)，以 AJAX 作為立即資料的呈現。以下是其中暫定的部份講義，先以 gdb 作系統觀察：
接著，直接以 gdb 分析並嘗試修改系統狀態，從而改變程式執行：
當我們設定中斷點、單步執行，就是希望循序探討一個中型的系統，而動態修改 CGI 的傳回值，可立即反應在網頁呈現，期望可帶來更生動、有趣的資料呈現 (HTML + CSS + JavaScript 總是能比較生動)，甚至，在十餘行程式的修改後，整個系統搖身一變，成為「電子相簿」，可參考稍早在學校所作的簡報 [real-case-7.pdf]，當然，分析修改的過程中，又會面臨到新的議題，這也是「以 GDB 重新學習 C 語言程式設計」的設計方針，好像一個師傅親手操刀，將作品進行雕刻琢磨的過程，用透明漸進的方式去闡述。關於詳情，會在 2010 年敲定議程演講的時間、場地事宜後，公佈相關的原始程式碼與參考資料，而議程的簡報當然也會一併釋出 (今年的若干場議程簡報仍在整理，請見諒)，在這之前，歡迎來信討論，或許能激發更多想法。
黃國彬教授在〈仍然靠一些筆去堅持〉一文提到：
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「我更加相信，無論在什麼世紀，什麼地方，一些熱心的筆，只要有揮動的自由，就肯定會努力不懈，在文學領域裡堅持。正因為這些堅持，從古到今，從中國到外國，出色的文學作品，就一部接一部，由發光的心靈賦形。」
老師，謝謝你
最近外務較多，許多同時進行中的計畫也陷入膠著，一早醒來，全身沒什麼活力，拖到中午才勉強去附近的家樂福用餐。用畢，隨處翻閱賣場書籍，瞥見西川司以親身經歷為背景，所撰寫的《老師，謝謝你-向日葵阿司的故事》，發現此書是自己很欣賞的譯者王蘊潔所譯，心想可消弭對日本書胃口不佳的問題，於是在胸口微微陣痛的狀況，閱讀這本篇幅不長但溫馨的小書。除了小弟遠遠不及的成就外，跟作者有著相仿的童年經歷，總覺得好似讀到散佚的日記一般，這缺痕，好比西川所說：-
「缺乏幼兒時期的記憶並不稀奇，但我對於小學五年級之前的所有記憶 －－ 在學校讀書的事，和同學一起玩的事，他們的長相和姓名 －－ 好像用橡皮擦擦掉般不存在了。
只留下橡皮擦擦過後，好像草圖般淡淡的鉛筆痕跡，好像黑白照片般模糊不清。」
所幸，遇到跟書中所提及的森田勉一般的好老師，同樣不放棄學生，縱使是低能兒，也能作點事情吧。每次在徐老師講課時，總覺得很溫暖，至少不必經歷被人從樓梯推下、用墊板戳刺，或者被迫裸露下體一類的舉動，而是能聽著一個接著一個寓意深遠又容易理解的故事，那一刻，覺得自己突然與大家一樣，是平等的。記下生動的歷史典故，回家則孤僻的翻閱《吳姐姐講歷史故事》叢書，最難忘的段落，當屬孫臏與龐涓兩人告別師父鬼谷子，分道揚鑣後，眼見孫臏鋒芒畢露，名利熏心的龐涓不惜煮豆燃箕，讓孫臏被害成殘、裝瘋賣傻才得以活命。面對無止盡的戲弄，竟有幾分共鳴，連大軍事家孫臏況且如此，那低能兒如我，也沒什麼好怨歎，儘管，漫長的自卑與自憐，佔據童年的大半。
老師總有辦法鼓勵我作些改變，比方說，儘管無法記住課本的文字、連九九乘法表都背不好，但仍讓我去參加寫字比賽，理由是，依據國字的形貌去描繪，當作畫圖一樣，雖然沒有得到任何名次，但讓我體會，只要慢慢作、下功夫的作，還是會帶來不同的結果。又如帶我去通霄海濱看石子，從而自小石頭的演變過程，到人與人的微妙關聯。童年的我，許下三個願望，其一就是要考上大學，可惜，當以還不差的成績考上台中一中、常駐於高中的百名榜時，望著榮譽榜中自己的名字，總不免想到老師，而就算有什麼成就，老師再也無法親眼見到了...
或許天真的以為自己這個低能兒也能做出一點事，妄想以百分之百的努力，彌補在先天的所有不足，但仍然不足，往往只能吃力的承擔一個又一個的爛賬。還是不夠努力，很顯然，但，老師，謝謝你，我知道作什麼事情，都不能輕易放棄。
原本只是胸口不適，痛哭一場後，頓時好疲倦，這種卑賤的人生，本來就不值得提，若不是他人的施捨，又怎能苟活至今呢？也謝謝表面過去欺負我、實際驅策我的同學們。
December 09, 2009
演講：深入淺出Hello World (完結篇)
感謝 OpenFoundry 的協助，即將達成自三年前就想實現的小心願，將「深入淺出 Hello World」系列演講告一段落。「深入淺出 Hello World」是自 2006 年起，一系列的技術演講，涉及系統工具使用、分析、追蹤，以及後設開發，意旨在引導與會者得以對 GNU/Linux 尋幽訪勝，進而知曉系統運作之原理。本課程為將歸納總結過去幾場議程，並以實驗的方式，探訪作業系統核心之互動。演講活動的網頁可參考 [自由軟體技術充電站- 深入淺出Hello World ]，以下摘錄重點：
- 活動時間：2009.12.19 09.50 ~ 16.30
- 活動地點：台北市復興北路 99 號 12 樓 (電腦教室位於 14 樓 G 室)
- 對象：對 GNU/Linux 系統運作有興趣者，具備基本程式設計經驗者更佳
- 費用：全程免費
- 解剖 Hello World 程式
- 探索記憶體模型與系統呼叫
- 持續追蹤系統呼叫與 Program Loader 行為
- 即時分析: Kernel & User Process
一如往昔，期待您的指導與討論，謝謝！
December 08, 2009
透過 gdb 動態改變程式執行示例
昨日在修平技術學院講課時，想到一個可展示透過 gdb 動態改變程式執行的範例，適用於 GNU/Linux IA32 (x86) 硬體架構。考慮以下程式碼 (func.c)：#include <stdlib.h> void hello() { puts("Hello World!"); exit(1); } void func() { void *buffer[1]; } int main() { func(); return 0; }從這個簡單的小程式，我們可以發現：
- 函式 hello() 無法被呼叫執行
- 函式 func() 宣告了一個可存放 pointer 的空間，被 main() 呼叫後，即行返回
$ gcc -g -o func func.c接著就祭出 gdb：
$ gdb func GNU gdb (GDB) 7.0-ubuntu ... Reading symbols from /home/jserv/testbed/func...done.先對函式 main() 作反組譯：
(gdb) disassemble main Dump of assembler code for function main: 0x0804843a <main+0>: push %ebp 0x0804843b <main+1>: mov %esp,%ebp 0x0804843d <main+3>: call 0x8048432 <func> 0x08048442 <main+8>: mov $0x0,%eax 0x08048447 <main+13>: pop %ebp 0x08048448 <main+14>: ret End of assembler dump.我們可留意到兩個細節：
- 反組譯輸出包含 "call 0x8048432" 的指令，該位址即函式 func() 的進入點
- "call" 指令的下個指令的位址為 "0x08048442"，如果我們能在這個位址動手腳，就可達到預期的目標，比方說額外呼叫函式 hello()
(gdb) break func Breakpoint 1 at 0x8048438: file func.c, line 10.儘管函式 func() 的進入點為 "0x08048432"，不過 gdb 會停留在函式內首個有效的指令，我們可見該位址是 "0x8048438"，對照反組譯輸出：
(gdb) disassemble func Dump of assembler code for function func: 0x08048432 <func+0>: push %ebp 0x08048433 <func+1>: mov %esp,%ebp 0x08048435 <func+3>: sub $0x10,%esp 0x08048438 <func+6>: leave 0x08048439 <func+7>: ret End of assembler dump.設定好中斷點後，執行這個小程式，動態觀察程式的狀態，預期會停在剛剛設定的函式 func()：
(gdb) run Starting program: /home/jserv/testbed/func Breakpoint 1, func () at func.c:10 10 }回顧稍早的程式碼列表，預留的 void *buffer[1] 給予我們一個機會去探索 x86 stack 的變化。因為 buffer[0] 實際位於函式 func() 的宣告中，而將索引值往後指呢？來看看：
(gdb) print *(buffer + 1) $1 = (void *) 0xbffff808 (gdb) print *(buffer + 2) $2 = (void *) 0x8048442gdb 告訴我們，*(buffer + 2) 的內含值就是位址 "0x8048442"，有沒有覺得很熟悉呢？不就是函式 main() 裡頭，指令 call 的下一個位址嗎？回顧一下反組譯輸出：
(gdb) disassemble main Dump of assembler code for function main: 0x0804843a <main+0>: push %ebp 0x0804843b <main+1>: mov %esp,%ebp 0x0804843d <main+3>: call 0x8048432 <func> 0x08048442 <main+8>: mov $0x0,%eax 0x08048447 <main+13>: pop %ebp 0x08048448 <main+14>: ret End of assembler dump.至此，透過 gdb 動態改變程式執行的範例就剩下臨門一腳，在 gdb 的提示符號打入以下指令，要求將位址對齊到函式 hello()：
(gdb) print *(buffer + 2) = (void(*)()) hello $3 = (void *) 0x8048414繼續程式執行，來檢驗我們的想法：
(gdb) c Continuing. Hello World! Program exited with code 01.由上可見：
- 函式 hello() 的確被執行到，所以輸出 "Hello World!" 字樣
- 函式 hello() 的 puts() 呼叫後又呼叫 exit(1)，將控制權交給 gdb，並顯示 "Program exited with code 01"，符合預期
