int a = 1 - Universidad de Castilla

Transcripción

Laboratorio de Estructura
de Computadores
Empleando videoconsolas Nintendo DS
María José Santofimia Romero
Francisco Moya Fernández
Escuela Superior de Informática
Universidad de Castilla-La Mancha
Contenidos
BLOQUE I
1. Lenguaje C
2. Arquitectura de la Nintendo DS
3. ABI e ISA
BLOQUE II
4. Tipos de representación gráfica 2D
BLOQUE III
5. Temporizadores e interrupciones
BLOQUE IV
6. Ejemplos de proyectos de prácticas
2
BLOQUE I – TEMA 1
Antes de empezar,
configuremos el
entorno
3
Configuración del entorno
●
Editamos el archivo de fuentes de paquetes:
$ sudo gedit /etc/apt/sources.list
●
Añadimos a las fuentes de paquetes la siguiente:
deb http://arco.esi.uclm.es/~francisco.moya/debian/ ./
deb−src http://arco.esi.uclm.es/~francisco.moya/debian/ ./
●
Actualizamos la lista de paquetes:
$ sudo aptitude update
4
●
Exportamos las variables de entorno:
$ gedit ~/.bashrc
export DEVKITPRO=/opt/devkitPro
export DEVKITARM=/opt/devkitPro/devkitARM
●
Instalamos los emuladores:
$ sudo aptitude install desmume nocasgba
●
Instalamos los depuradores:
$ sudo aptitude install kdbg gdb
5
●
Instalación del paquete DevkitPro:
$ sudo aptitude install devkitpro-arm-eabi
●
Primera prueba:
$
$
$
$
cp -r /opt/devkitPro/examples/nds/templates/arm9 /tmp/hello
cd /tmp/hello
make
desmume hello.nds
6
BLOQUE I – TEMA 1
BLOQUE I
Lenguaje Máquina
y Ensamblador
7
Correspondencia con
contenidos teóricos
●
●
●
BLOQUE I
Arquitectura y repertorio de instrucciones (Instruction Set
Architecture, ISA).
Formato Instrucciones. Modos de direccionamiento. Tipos de
instrucción.
Formato y repertorio de instrucciones del ARM (Advanced RISC
Machines)
●
Ensamblador, montador y cargador.
●
Formato de una sentencia en lenguaje ensamblador.
●
Instrucciones y directivas.
●
Macros y subrutinas.
8
BLOQUE I – TEMA 1
Tema 1
Introducción al
Lenguaje C
9
BLOQUE I – TEMA 1
¿Por qué el lenguaje C?
1. Reducimos la barrera de aprendizaje (la traducción
de algoritmos a lenguaje C es más directa que a
ensamblador)
2. Valor profesional que aporta conocer C frente al
ensamblador (ARM, PIC, etc.)
3. Lenguaje de “alto nivel” con capacidades de “bajo
nivel”, ya que permite acceso a detalles de la
arquitectura como: ABI, modos de direccionamiento,
gestión de memoria, entrada/salida, aritmética
binaria, etc.
10
Características de C
¿Qué lo hace tan atractivo para este laboratorio?
●
●
●
●
Los punteros son un mecanismo de
direccionamiento indirecto.
Los arrays son un mecanismo de direccionamiento
indexado.
Número muy reducido de palabras reservadas
(inferior al de cualquier lenguaje ensamblador).
La complejidad de hacer programas en C se puede
mantener al mínimo.
11
BLOQUE I – TEMA 1
Un tutorial clásico
Ejemplos tomados de:
Programming in C – A Tutorial
Brian Kernighan, Bell Labs
http://www.lysator.liu.se/c/bwk-tutor.html
12
BLOQUE I – TEMA 2
Tema 2
Arquitectura de la
Nintendo DS
13
BLOQUE I – TEMA 2
Contenido
●
Elementos de la plataforma NDS
●
El proceso de compilación
●
El interfaz binario de aplicaciones (ABI)
●
–
Relación entre ABI e ISA
–
Principios básicos de gestión de memoria
–
Reglas de alineamiento
Explorando el ABI y la ISA
14
BLOQUE I – TEMA 2
El hardware de la NDS
●
2 procesadores
–
–
●
ARM946E-S a 66 MHz
ARM7TDMI a 33 MHz (a 16 MHz en modo GBA)
4 MB de RAM principal
–
●
Todo integrado en un único
procesador específico para
Nintendo
PSRAM (pseudo-SRAM)
Dinámica con circuitería de refresco
Variedad de periféricos
–
–
–
–
–
–
2 motores gráficos 2D
1 motor gráfico 3D
1 touch screen
16 canales de sonido (6 gen. ondas, 2 gen. ruido)
Altavoces y micrófono estéreo
...
15
BLOQUE I – TEMA 2
Compilando para NDS
archivos.c
archivos.c
ARM9
código fuente
ARM7
código fuente
ARM7
compilador
ARM9
compilador
archivo.ds.gba
archivos.o
ARM7
código objeto
AMR7
montador
dsbuild
ARM9
código objeto
archivos.o
ARM9
montador
archivo.nds
archivo.arm7.elf
ARM7 ejecutable
ndstool
archivo.arm9.elf
ARM9 ejecutable
16
BLOQUE I – TEMA 2
El proceso de empaquetado
●
ndstool
–
Mismo formato de los
cartuchos NDS
●
●
●
Cabecera
Junta ejecutables
dsbuild
–
Permite ejecución desde
cartucho GBA
●
●
ejecutables
Cabecera distinta
Añade un cargador (loader)
al principio
ndstool
archivo.nds
Field
Game title
Game code
Maker code
Unit code
Device code
Card size
Card info
Flags
ARM9 source (ROM)
ARM9 execute addr
ARM9 copy to addr
ARM9 binary size
ARM7 source (ROM)
ARM7 execute addr
ARM7 copy to addr
ARM7 binary size
Filename table offset (ROM)
Filename table size
FAT offset (ROM)
FAT size
...
dsbuild
Start
0x000
0x00C
0x010
0x012
0x013
0x014
0x015
0x01F
0x020
0x024
0x028
0x02C
0x030
0x034
0x038
0x03C
0x040
0x044
0x048
0x04C
End
0x00B
0x00F
0x011
0x012
0x013
0x014
0x01E
0x01F
0x023
0x027
0x02B
0x02F
0x033
0x037
0x03B
0x03F
0x043
0x047
0x04B
0x04F
Size
12
4
2
1
1
1
10
1
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
archivo.ds.gba
17
BLOQUE I – TEMA 2
Hola, mundo
●
Uso de la plantilla base que viene con devKitPro
$ cp -r /opt/devkitPro/examples/nds/templates/arm9 /tmp/hola
$ cd /tmp/hola
$ gedit source/main.c
#include <nds.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
ConsoleDemoInit();
printf(“Hola, mundo\n”);
while(1) {
swiWaitForVBlank();
}
}
$ make
$ desmume hola.nds
18
BLOQUE I – TEMA 3
Tema 3
Application Bynary
Interface (ABI)
19
BLOQUE I – TEMA 3
Contenido
1. Reglas de alineamiento
2. Alineamiento de la pila
3. Llamadas a procedimientos
a) Utilización de registros
b) Repaso: Uso del link register
c) Paso de parámetros
20
BLOQUE I – TEMA 3
Application Binary Interface
●
La arquitectura impone restricciones
–
–
Orden de bytes en una palabra (endianness)
Restricciones de alineamiento
●
●
E.g.Palabras no alineadas implican una doble lectura
Algunos coprocesadores exigen alineación
El compilador mantiene cierta libertad
–
–
Utilización de los registros, método de paso de
parámetros, promoción de tipos, nombres de símbolos
internos...
Para garantizar la interoperabilidad es preciso ceñirse a
reglas comunes: ABI
21
BLOQUE I – TEMA 3
Embedded ABI for ARM (EABI)
●
●
Definición de ABI acordado por múltiples empresas
de compiladores (ARM, CodeSourcery, IAR, ...)
Disponible públicamente
–
–
●
http://infocenter.arm.com/help/index.jsp
También disponible en moodle.uclm.es
Especificado a varios niveles
–
–
–
–
–
Llamadas a procedimientos
Biblioteca C estándar
Excepciones y C++
ABI específico de plataforma (e.g. Linux)
...
22
BLOQUE I – TEMA 3
ISA y ABI
●
El ABI siempre está estrechamente relacionado con
la arquitectura del repertorio de instrucciones de la
máquina (ISA)
–
Pensado para máxima eficiencia
●
–
E.g. Orden de bytes = el de la arquitectura
Limitado por la arquitectura
●
E.g. Idealmente todo se guardaría en registros
23
BLOQUE I – TEMA 3
La gestión de la memoria
●
Un programa en ejecución
tiene tres regiones
fundamentales
–
●
Contiene instrucciones
Puede tener textos fijos
Datos
●
●
–
Pila (stack)
Código
●
–
Variables de entorno
Contiene datos globales
BSS es inicializado a 0
Pila
●
●
Variables automáticas
El heap se gestiona explícitamente
Stack frame
Montículo (heap)
BSS
Datos (data)
Código (text)
Memoria principal
24
BLOQUE I – TEMA 3
Variables automáticas y
estáticas
●
●
Estáticas inicializadas y
estáticas sin inicializar en
secciones separadas
Automáticas
en una única
sección
int si = 0xbadbeef;
int su;
int main() {
consoleDemoInit();
int ai = 0xdadbebad;
int au;
printf(“%p\n%p\n%p\n%p\n”,
&si, &su, &ai, &au);
return 0;
}
¿Por qué?
25
BLOQUE I – TEMA 3
Variables automáticas
●
Las variables automáticas se
crean en la pila
–
–
●
Definición = push
Final = pop
Excepciones
–
Optimización (registros)
①
②
③
SP
SP
SP
void f() {
① ...
int a = 1;
② ...
int b;
③
...
}④
1
a
④
?
b
1
a
SP
26
BLOQUE I – TEMA 3
Variables estáticas
●
Las variables estáticas se reservan
en el ejecutable
–
Las inicializadas deben ser copiadas al
principio
–
Las no inicializadas basta reservarlas
...
int a = 1;
...
int b;
...
int main() {
...
0
b
1
a
bss
bss
data
cargador
sz
1
a
Ejecutable
data
Memoria principal
27
BLOQUE I – TEMA 3
¿Estáticas o automáticas?
Depende del tamaño
ARM9
DTCM
(16KiB)
Tiene que ser estática
porque de lo contrario
desbordaría la pila
PILA
int main() {
[...]
static uint16 pixel[256*256]; [...]
}
28
BLOQUE I – TEMA 3
Palabras se alinean al borde de
palabra
●
c
–
Relleno si es necesario
–
Pila crece hacia direcciones más
bajas
?
?
int main() {
consoleDemoInit();
char c;
int i;
printf(“%p\n%p\n”,
&c, &i);
return 0;
}
Relleno
(padding)
?
i3
i2
c
?
?
?
i
i1
i0 SP
29
BLOQUE I – TEMA 3
Tipos básicos
●
El ABI indica las
reglas de
alineamiento para
cada tipo básico
Type
Integral
Floating Point
Pointer
Machine
unsigned char
signed char
unsigned short
signed short
unsigned int
signed int
unsigned long long
signed long long
float
Double
Data
Code
Size Alignment
1
1
1
1
2
2
2
2
4
4
4
4
8
8
8
8
4
4
8
8
4
4
4
4
30
BLOQUE I – TEMA 3
Tipos compuestos
●
struct
–
–
●
Alineamiento es el
máximo de sus
componentes
Tamaño es múltiplo del
alineamiento
arrays
–
Alineamiento es el de su
tipo base
–
Tamaño es N veces el
del tipo base
Optimiza la definición de
struct MyData
struct MyData {
char c;
double d;
int s;
};
int main() {
char c;
struct MyData data;
struct MyData v[5];
...
31
BLOQUE I – TEMA 3
Alineamiento de la pila
El registro sp siempre debe alinearse al
límite de palabra (4 bytes)
● En un interfaz público (e.g. al llamar a
una función) debe alinearse al límite de
doble palabra (8 bytes)
●
32
BLOQUE I – TEMA 3
Utilización de registros
Register Synonym Special Role
r15
pc
Program counter
r14
lr
Link register
r13
sp
Stack pointer
r12
ip
Intra procedure call scratch register
r11
v8
Variable register 8
r10
v7
Variable register 7
r9
v6
sb/tr Platform register
r8
v5
Variable register 5
r7
v4
Variable register 4
r6
v3
Variable register 3
r5
v2
Variable register 2
r4
v1
Variable register 1
r3
a4
Argument/scratch register 4
r2
a3
r1
a2
r0
a1
33
BLOQUE I – TEMA 3
Link register
●
Para llamar se usa la
instrucción bl
–
–
–
●
Usa lr para guardar
dirección de retorno
Permite ir a código
ARM o Thumb
Permite volver a la
ISA correcta
Retorna saltando a lr
–
bx lr
int main() {
...
func(3, 'c');
...
main:
...
bl func
...
lr[31:1] ← pc
lr[0]
← ISA (0=ARM, 1=Thumb)
pc
← func
34
BLOQUE I – TEMA 3
Llamadas anidadas
●
Si hay llamadas
anidadas hay que
preservar el lr en la pila
void func2(int i, char c) {
...
}
void func() {
...
func2(3, 'c');
...
}
Antes del bl
debe guardar en
int main() {
la pila el lr
...
func();
35
BLOQUE I – TEMA 3
Valor de retorno
Si tiene signo se
extiende el bit de signo
●
Tipo básico o compuesto de tamaño ≤ 4 bytes
(char, short, int, long, float, ...)
–
●
Tipo básico de 8 bytes (long long, double)
–
●
Se expande a 4 bytes y se retorna en r0
Se retorna en r0 y en r1
Tipo compuesto > 4 bytes o tamaño indeterminado
–
Se almacena en memoria
–
Dirección pasada como argumento extra
36
BLOQUE I – TEMA 3
Paso de parámetros
●
Tres etapas:
–
A. Inicialización
●
–
B. Pre-padding y extensión de argumentos
●
–
Solo una vez antes de procesar argumentos
Para cada argumento
C. Asignación de argumentos a registros y pila
●
Para cada argumento
37
Paso de parámetros
BLOQUE I – TEMA 3
Inicialización
●
●
●
Contador SiguienteReg se inicializa a r0
La dirección SiguienteArgEnPila se inicializa al
valor del sp
Si la función devuelve un resultado en memoria
–
La dirección del resultado se escribe en r0
–
SiguienteReg pasa a ser r1
38
BLOQUE I – TEMA 3
Paso de parámetros
Pre-padding y extensión de argumentos
●
Argumento compuesto y no se puede determinar el
tamaño por la función
–
●
Tipo básico de menos de 4 bytes
–
●
Se copia en memoria y se reemplaza por un puntero a esta
copia
Se extiende a 4 bytes
Tipo compuesto cuyo tamaño no es múltiplo de 4
bytes
–
Se redondea a múltiplo de 4 bytes más cercano
39
Paso de parámetros
BLOQUE I – TEMA 3
Asignación de argumentos a reg y pila
●
Se requieren 8 bytes
–
●
Tamaño en palabras no supera
r4 – SiguienteReg
–
–
●
Se copia a registros empezando en SiguienteReg
Se incrementa SiguienteReg al siguiente libre
Supera pero SiguienteArgEnPila == sp
–
●
SiguienteReg = siguiente registro par
Se divide entre registros (primera parte) y pila
En otro caso
–
–
Copiar argumento a SiguienteArgEnPila
Incrementar SiguienteArgEnPila
40
Ejemplo1
BLOQUE I – TEMA 3
MCD, Algoritmo de Euclides
#include
#include <nds.h>
<nds.h>
#include
#include <stdio.h>
<stdio.h>
int
int mcd(int
mcd(int a,
a, int
int b)
b) {{
return
return bb ==
== 00 ?? aa :: mcd(b,
mcd(b, aa %% b);
b);
}}
Llamadas a función
int
main()
{
int main() {
consoleDemoInit();
consoleDemoInit();
int
int ii == 12,
12, jj == 99;
99;
int
int div
div == mcd(i,
mcd(i, j);
j);
printf("El
mcd
de
printf("El mcd de %d
%d yy %d
%d es
es %d\n",
%d\n", i,
i, j,
j, div);
div);
return
0;
return 0;
}}
41
Utilizando kdbg
BLOQUE I – TEMA 3
Paso de argumentos y retorno de valores
#include <nds.h> int sum(int, int); int main(){ consoleDemoInit(); int a, b, res;
a = 4; b = 5; res = sum(a, b); printf("Suma: %d\n", res); return 0; } int sum(int v1, int v2){ return v1+v2; }
42
Utilizando kdbg
BLOQUE I – TEMA 3
Compilación y ejecución
$ cp -r /opt/devkitPro/examples/nds/templates/arm9 prueba
$ cd prueba
$ rm source/*
Editar source/main.c source/prueba.c source/fn.h source/fn.c
● Editar Makefile para quitar optimización -O0 y comentar:
#ARCH := -mthumb -mthumb-interwork
●
Se comenta con #
$ make
$ desmume --arm9gdb=7777 prueba.nds &
$ kdbg prueba.elf
Poner un punto de interrupción en main
● Salir de kdbg
●
$ kdbg -r :7777 prueba.elf
43
BLOQUE I – TEMA 2
Kdbg y DeSmuME
step
44
BLOQUE I – TEMA 2
Stack frame y registros
Stack frame
Call trace
Registros
View → Registros
45
BLOQUE I – TEMA 2
Código ensamblador
Código
ensamblador
46
Utilizando kdbg
BLOQUE I – TEMA 3
Paso de argumentos y retorno de valores
47
BLOQUE I – TEMA 1
BLOQUE II
Memorias
48
Correspondencia con
contenidos teóricos
BLOQUE II
●
Tecnología y características de la memoria.
●
Jerarquía de memorias
●
Mapa de memoria: diseño
49
BLOQUE II – TEMA 4
Tema 4
Gráficos 2D con
Nintendo DS
50
Contenidos
●
Jerarquía y mapa de memoria.
●
Modos gráficos 2D
–
Framebuffer
–
Extended Rotoscale
–
Tiles
51
JERARQUÍA DE MEMORIA
a
ad
d
i
d
i
c
c
ste apa
o
l
o
C
C
Ve
d
CPU
Memoria
Interna
E/S
BLOQUE I – TEMA 2
Mapa de memoria
M ain
BIOS
ITC M
DTCM
WRAM0
WRAM1
M ain
BIOS
IWRAM
WRAM0
WRAM1
ARM 9
0x02000000
0x023FFFFF
0xFFFF0000
0xFFFF7FFF
0x00000000
0x00007FFF
0x0B000000
0x0B003FFF
0x03000000
0x03003FFF
0x03004000
0x03007FFF
ARM 7
0x02000000
0x023FFFFF
0x00000000
0x00003FFF
0x03800000
0x0380FFFF
0x03000000
0x03003FFF
0x03004000
0x03007FFF
4MB
32KB
32KB
16KB
16KB
16KB
4MB
16KB
64KB
16KB
16KB
Video RAM
M ain OAM
0x 07000000 0x070003FF
Sub OA M
0x 07000400 0x070007FF
M ain Palette 0x 05000000 0x050003FF
Sub Palette 0x 05000400 0x050007FF
Bank A
0x 06800000 0x0681FFFF
Bank B
0x 06820000 0x0683FFFF
Bank C
0x 06840000 0x0685FFFF
Bank D
0x 06860000 0x0687FFFF
Bank E
0x 06880000 0x0688FFFF
Bank F
0x 06890000 0x06983FFF
Bank G
0x 06894000 0x06897FFF
Bank H
0x 06898000 0x0689FFFF
Bank I
0x 068A0000 0x068A3FFF
Virtual Video RAM
M ain BG
0x 06000000 0x0607FFFF
Sub BG
0x 06200000 0x0621FFFF
M ain Sprite 0x 06400000 0x0643FFFF
Sub Sprite
0x 06600000 0x0661FFFF
1KB
1KB
1KB
1KB
128KB
128KB
128KB
128KB
64KB
16KB
16KB
32KB
16KB
512KB
128KB
256KB
128KB
Tomado de http://dev-scene.com/NDS/Tutorials_Day_2#Memory_Layout
53
BLOQUE I – TEMA 2
Arquitectura de memoria
ARM9
DCache
WRAM0 (16 KiB)
ICache
WRAM1 (16 KiB)
DTCM
(16 KiB)
ITCM
(32 KiB)
BIOS ARM9
(32 KiB)
IWRAM
(64 KiB)
Main RAM
(4MiB)
VRAM
(656 KiB)
OAM
(2 KiB)
Palette
(2 KiB)
ARM7
BIOS ARM7
(32 KiB)
3D Graphics
(no accesible)
GBA RAM
(32MiB)
54
La memoria de video (VRAM)
●
9 bancos asignables a
distintos propósitos
–
–
–
–
–
–
–
–
–
VRAM_A
VRAM_B
VRAM_C
VRAM_D
VRAM_E
VRAM_F
VRAM_G
VRAM_H
VRAM_I
(128KiB)
(128KiB)
(128KiB)
(128KiB)
(64KiB)
(16KiB)
(16KiB)
(32KiB)
(16KiB)
●
Ejemplo: activar el bloque
A y asociarlo
a la representación
de fondos con el
procesador 2D principal
VRAM_A_CR = VRAM_ENABLE
| VRAM_A_MAIN_BG;
Bloque VRAM_A asignado a fondos del 2D
MAIN. Equivale a:
vramSetBankA(VRAM_A_MAIN_BG);
55
Asignación de
bancos de VRAM
VRAM A
Main
Framebuffer
Sprites
Sub
VRAM B
VRAM C
VRAM D
Fondos
VRAM E
VRAM F
Fondos
Sprites
Paletas
extendidas
VRAM G
Paletas
extendidas
Texturas
VRAM H
VRAM I
Paletas
texturas
56
Activando coprocesadores
●
El registro REG_POWERCNT controla el encendido
de hardware
Activar LCD y 2D principal
REG_POWERCNT
15 14 13 12 11 10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
REG_POWERCNT = POWER_LCD
| POWER_2D_A;
POWER_LCD
Pantallas LCD
POWER_2D_A
Procesador 2D principal
POWER_MATRIX
Matriz de transformación 3D
POWER_3D_CORE Procesador 3D
POWER_2D_B
Procesador 2D secundario
POWER_SWAP_LCDS
Intercambia pantallas
57
Asignación de
bancos de VRAM
●
Cada banco tiene un registro
VRAM_?_CR para activarlo y seleccionar su
función
Activar VRAM_A y
asignarla a fondos del
motor 2D principal
VRAM_?_CR
7
6
5
4
3
2
1
0
VRAM_A_CR = VRAM_A_ENABLE | VRAM_A_MAIN_BG;
Modo
Desplazamiento
VRAM_?_ENABLE
Más información en ${DEVKITPRO}/libnds/include/nds/arm9/video.h
58
Modo de representación
Modos de direccionamiento
●
●
●
●
Cada modo de representación se distingue por una
organización diferente de los datos en memoria.
Conocer la jerarquía de memoria es indispensable
para poder representar en cada uno de los modos
2D.
Es necesario conocer las peculiaridades de cada tipo
de memoria (tamaño, restricciones de acceso,
buses, etc.)
Excelente mecanismo para la práctica de los modos
de direccionamiento.
59
Modo de representación
●
El registro REG_DISPCNT controla modos y fondos
activos
Activar modo 0 y BG0
REG_DISPCNT = MODE_0_2D | DISPLAY_BG0_ACTIVE;
REG_DISPCNT
31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
MODE_{0..6}_2D
ENABLE_3D
DISPLAY_{BG0,BG1,BG2,BG3,SPR}_ACTIVE
DISPLAY_{WIN0,WIN1,SPR_WIN}_ON
2D mode
MODE_FB{0..3}
60
Modos de representación
Configuración de los motores 2D
●
Al usar MODE_0_2D todos los fondos son teselados
–
Hay otras posibilidades
●
Modos Rotoscale permiten transformaciones afines
Solo el
coprocesador
2D principal
Modo
0
1
2
3
4
5
6
BG0
Teselado
Teselado
Teselado
Teselado
Teselado
Teselado
Teselado
BG1
BG2
BG3
Teselado
Teselado
Teselado
Teselado
Teselado
Rotoscale
Teselado Rotoscale
Rotoscale
Teselado
Teselado
Ext. Rotoscale
Teselado Rotoscale Ext. Rotoscale
Teselado Ext. Rotoscale Ext. Rotoscale
N/A
Large BMP
61
Gráficos con Nintendo DS
Modos framebuffer
de la Nintendo DS
62
Modos framebuffer
●
●
Modo framebuffer
–
Pantalla mapeada en memoria
–
Al escribir en memoria aparece en pantalla
4 posibles framebuffers
–
Asociados a los bancos de VRAM de 128KiB
–
Permite implementar double buffering
Modo
FB0
FB1
FB2
FB3
Mem
VRAM_A
VRAM_B
VRAM_C
VRAM_D
REG_DISPCNT = MODE_FB0;
VRAM_A_CR = VRAM_A_ENABLE | VRAM_A_LCD;
// El framebuffer está en VRAM_A
63
Formato de representación
●
Un framebuffer se caracteriza por
–
Posición de memoria donde se mapea
●
–
Longitud de cada línea
●
–
FB0 en VRAM_A, FB1 en VRAM_B, ...
En la NDS 256 pixels por línea
Formato de cada pixel
●
RGB15(r,g,b)
–
–
–
R, G, B
5 bits por componente (0..31)
Ocupa 2 bytes (bit15 no se usa)
64
Ejemplo
●
Archivos gráficos
–
data/wallpaper.png
–
data/wallpaper.grit
-gB16
-gb
#include <nds.h>
#include "wallpaper.h"
Cada pixel
int main(void) {
ocupa 2 bytes
REG_DISPCNT = MODE_FB0;
VRAM_A_CR = VRAM_ENABLE | VRAM_A_LCD;
dmaCopy(wallpaperBitmap, VRAM_A, 256*192*2);
for(;;)
Copiar los 256x192 pixels
swiWaitForVBlank();
de la imagen en VRAM_A
return 0;
}
65
Ejemplo
66
Gráficos con grit
●
Grit genera automáticamente datos de pixels a
partir de archivos gráficos
$ grit help
●
DevkitPro utiliza automáticamente grit
–
Añadir gráficos en carpeta data
data/dibujo.png
–
Añadir opciones de grit
data/dibujo.grit
67
Ejercicio
Mostrar un gradado vertical ocupando
toda la pantalla desde el color negro
RGB15(0,0,0) hasta el color azul
RGB15(0,0,31)
68
Modos extended rotoscale
69
Extended rotoscale
●
Utilizar el modo 5
–
Los fondos 2 y 3 son ext. Rotoscale
●
Mapear algún banco de VRAM a fondos
●
Configurar el fondo
–
–
Desplazamiento en VRAM del dibujo
Tamaño
●
–
●
128x128, 256x256, 512x256, 512x512, 1024x512,
512x1024
Paleta
Configurar matriz de transformación
70
Ejemplo
●
Archivos gráficos
–
–
data/wallpaper.png
data/wallpaper.grit
-gB8
-gB8
-gb
-gb
#include <nds.h>
int main(void) {
VRAM_A_CR = VRAM_ENABLE | VRAM_A_MAIN_BG;
BGCTRL[2] = BG_BMP_BASE(0) | BgSize_B8_256x256;
dmaCopy(wallpaperBitmap, BG_GFX, 256*192);
dmaCopy(wallpaperPal, BG_PALETTE, 256*2);
bgTransform[2]>xdx = 256; bgTransform[2]>ydx = 0;
bgTransform[2]>xdy = 0; bgTransform[2]>ydy = 256;
bgTransform[2]>dx = 0; bgTransform[2]>dy = 0;
}
71
Paleta de colores
●
●
Cada punto de la imagen es un número de color
dentro de una paleta de 256 colores
Cada color de la paleta es
RGB de 15 bits
–
0
1
2
3
4
5
6
7
8
5 bits por componente
RGB15(0,0,0)
RGB15(31,0,0)
RGB15(31,15,0)
RGB15(31,31,0)
RGB15(0,31,0)
RGB15(0,31,31)
RGB15(31,0,31)
RGB15(31,31,31)
RGB15(7,7,7)
Paleta
72
Imágenes en la VRAM
●
La imagen puede empezar
en dirección múltiplo de
16KiB (0x4000)
BGCTRL[2] = BG_BMP_BASE(0) | BgSize_B8_256x256;
BMP_BASE 0
0x04000
BMP_BASE 1
0x08000
512KiB
Puede ocupar más de 16KiB
¡Uno de 256x256 ocupa
64KiB!
0x00000
...
0x78000
BMP_BASE 30
0x7c000
BMP_BASE 31
VRAM
73
La matriz de transformación
●
bgTransform[fondo] contiene una matriz de
tranformación afín, que se aplica a la imagen
–
Ver http://www.coranac.com/tonc/text/affine.htm
typedef struct {
s16 xdx;
s16 ydx;
s16 xdy;
s16 ydy;
s32 dx;
s32 dy;
} bg_transform;
bgTransform[2]>xdx = 256;
bgTransform[2]>ydx = 0;
bgTransform[2]>xdy = 0;
bgTransform[2]>ydy = 256;
bgTransform[2]>dx = 0;
bgTransform[2]>dy = 0;
Escala 1:1 y sin rotación
74
Ejemplo
75
Transformaciones afines con
libnds
●
Inicializar un fondo con libnds
int bg = bgInit(2, BgType_Bmp8, BgSize_B8_256x256, 0, 0);
●
Obtener la dirección de memoria
u16* ptr = bgGetGfxPtr(bg);
●
Transformaciones afines
bgSetCenter(bg, x, y);
bgSetScroll(bg, x, y);
bgSetRotateScale(bg, angulo, escalaX, escalaY);
bgUpdate();
BgUpdate actualiza la imagen
76
Características del modo ER
●
●
●
●
Introduce el concepto de “paleta de colores” que
supone una representación indirecta del color de
cada píxel.
Práctica los modos de direccionamiento.
La matriz de transformaciones requiere
representación en punto fijo con 8 bits decimales.
La VRAM no es accesible byte a byte (unidad
mínima es de 2 bytes).
77
Ejercicio
●
Utilizando el modo 5 dibujar un gradado vertical
ocupando toda la pantalla desde negro RGB15(0,0,0)
hasta azul RGB15(0,0,31).
78
Modos gráficos teselados
79
Mapas, teselas, paletas
Mapas teselados
●
Cada fondo se divide en teselas
de 8x8 pixels
–
Cuatro posibilidades
●
–
Parte visible
del mapa
32x32, 32x64, 64x32 y 64x64
La parte visible puede ajustarse
(efecto scroll)
32X32
64X32
32X64
64X64
80
Configuración de fondo
teselado
REG_BG0CNT = BG_32x32 | BG_16_COLOR | BG_MAP_BASE(0) | BG_TILE_BASE(1);
●
–
–
También BGCTRL[n]
REG_BG<n>CNT
Fondo configurable
–
{32 o 64}x{32 o 64}
16 o 256 colores
Posiciones de memoria
●
15 14 13 12 11 10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
●
Para mapa
Para teselas
Prioridad del fondo
Posición de teselas (TILE_BASE)
Modo mosaico
0=16 colores, 1=256 colores
Posición del mapa (MAP_BASE)
Conectar extremos (wrap)
Tamaño de mapa (32x32, 64x32, 32x64, 64x64)
81
82
Teselas de 16 y 256 colores
●
Cada tesela es un dibujo de 8x8
pixels
–
Dos posibilidades
●
16 colores
–
●
4 bits por pixel
256 colores
–
¡Ojo! El nibble
menos
significativo es
del pixel más a
la izquierda
8 bits por pixel
unsigned char A16[] = {
0x00,0x10,0x01,0x00,
0x00,0x11,0x11,0x00,
0x00,0x01,0x10,0x00,
0x10,0x01,0x10,0x01,
0x10,0x11,0x11,0x01,
0x10,0x01,0x10,0x01,
0x10,0x01,0x10,0x01,
0x00,0x00,0x00,0x00,
};
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
5956 60
61
62
63
unsigned char A256[] = {
0,0,0,1,1,0,0,0,
0,0,1,1,1,1,0,0,
0,0,1,0,0,1,0,0,
0,1,1,0,0,1,1,0,
0,1,1,1,1,1,1,0,
0,1,1,0,0,1,1,0,
0,1,1,0,0,1,1,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,
};
83
Teselas de 16 colores (cont)
●
En las teselas de 16 colores es
más legible si usamos unsigned
long
–
¡Cuidado! Los nibbles menos
significativos son pixels más a la
izquierda
unsigned long A16[] = {
0x00001111,
0x00000011,
0x00000101,
0x00001001,
0x00010000,
0x00000000,
0x00000000,
};
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
¡Ojo! La representación real se
invierte respecto al eje Y
84
Paleta de colores para fondos
●
La paleta de fondos tiene 256
colores
–
0x00
Paleta 0
1 paleta de 256 colores
0x10
Paleta 1
Color de 0x00 a 0xff
0x20
●
–
16 paletas de 16 colores
●
●
Paleta de 0x0 a 0xf
Color de 0x0 a 0xf
BG_PALETE[0x25] es el color
0x25 de la paleta de 256
colores o el color 5 de la
paleta 2 de 16 colores
...
0xe0
Paleta 14
0xf0
Paleta 15
Paleta de fondos
BG_PALETTE
85
Paleta de colores
●
●
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
Un punto es un número de color
dentro de una paleta
16 17 18 19 20 21 22 23
Cada color de la paleta es RGB de
0
15 bits
56 57 58 59 60 61 62 63
–
5 bits por componente
unsigned long tesela[] = {
0x12345678,
0x12345678,
0x12345678,
0x12345678,
0x12345678,
0x12345678,
0x12345678,
0x12345678,
};
1
2
3
4
5
6
7
8
24 25 26 27 28 29 30 31
32 33 34 35 36 37 38 39
40 41 42 43 44 45 46 47
48 49 50 51 52 53 54 55
Tesela
RGB15(0,0,0)
RGB15(31,0,0)
RGB15(31,15,0)
El color 0 es
transparente
RGB15(31,31,0)
RGB15(0,31,0)
RGB15(0,31,31)
RGB15(31,0,31)
RGB15(31,31,31)
RGB15(7,7,7)
Paleta
86
Almacenamiento de teselas
●
Las teselas se guardan a
partir de una dirección
base (TILE_BASE)
–
El procesador de gráficos 2D
no permite cualquier
dirección base
BASE
Tesela 0
BASE + 32
Tesela 1
BASE + 64
BASE + 32∙(n1)
BASE + 32∙n
Tesela n-1
Tesela n
87
Formato de mapas
●
Cada tesela del mapa se representa con 16 bits
–
Número de tesela entre 0 y 1023
–
Espejo horizontal y/o vertical
–
Paleta (solo para teselas de 16 colores por pixel)
Espejo vertical
Espejo horizontal
15
14
13
Paleta
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Número de tesela
88
Teselas y mapas con grit
●
Grit genera automáticamente datos de paletas,
teselas y mapas a partir de archivos gráficos
$ grit help
●
DevkitPro utiliza automáticamente grit
–
Añadir gráficos en carpeta data
data/dibujo.bmp
–
Añadir opciones de grit
data/dibujo.grit
89
Ejemplo
●
Archivos gráficos
–
–
data/wallpaper.png
data/wallpaper.grit
-g
-m
-p
-gB8
-pe256
-gb
-gB8
-gt
#include <nds.h>
int main() {
consoleDemoInit();
VRAM_A_CR = VRAM_ENABLE | VRAM_A_MAIN_BG;
BGCTRL[0] = BG_32x32 | BG_COLOR_256 | BG_WRAP_ON
| BG_MAP_BASE(0) | BG_TILE_BASE(1);
memcpy(BG_PALETTE, wallpaperPal, wallpaperPalLen);
memcpy((void*)BG_TILE_RAM(1), wallpaperTiles, wallpaperTilesLen);
memcpy((void*)BG_MAP_RAM(0), wallpaperMap, wallpaperMapLen);
int i;
for (i=0; ; ++i) {
swiWaitForVBlank();
}
}
90
Ejemplo: Fuente de texto
●
Con programa de dibujo multicapa
–
Fondo: damero de cuadritos 8x8
–
Primer plano: alfabeto y caracteres especiales
●
●
–
Elegir fuente monoespaciada
Elegir tamaño múltiplo de 8 bits
El interlineado también
Grabar en gfx/texto.bmp solo la capa de primer
plano
Cada carácter son 2x4 teselas
91
Ejemplo: Fuente de texto (2)
●
Creamos un archivo de
opciones para grit
gfx/texto.grit
El primer color suele
ser el negro. Con esto
forzamos transparente
el segundo color
●
Por supuesto tu caso puede
ser diferente
–
g # Generar teselas
m # Generar mapas
pe2 # Solo 2 colores
pT1 # Color transparente
gt # Modo teselas
gB4 # 4 bits por pixel
mR4 # Optimizar para 4bpp
$ grit texto.bmp fts
$ cat texto.h
¡Experimenta!
92
Ejemplo: Fuente de texto (3)
●
El carácter de la columna i y la fila j empieza en
unsigned short* pos = textoMap + i*2 + 26*2*4*j
●
Todas las teselas del carácter son
pos[0], pos[1], pos[26*2], pos[26*2+1],
pos[26*4], pos[26*4+1], pos[26*6], pos[26*6+1]
0
5
10
15
20
25
0
1
2
93
Guardar mapas en la VRAM
●
Un mapa puede empezar en
dirección múltiplo de 2KiB
(0x800)
MAP_BASE 0
0x0800
MAP_BASE 1
0x1000
64KiB
Puede ocupar más de 2KiB
¡Uno de 64x64 ocupa 8KiB!
0x0000
...
0xf000
MAP_BASE 30
0xf800
MAP_BASE 31
VRAM
94
Guardar teselas en la VRAM
●
Un mismo conjunto de teselas
puede ocupar más de 16KiB
¡Como máximo un mismo mapa
puede usar 1024 teselas de 256
colores (64KiB)!
TILE_BASE 0
0x04000
TILE_BASE 1
0x08000
256KiB
Un conjunto de teselas
puede empezar en dirección
múltiplo de 16KiB (0x4000)
0x00000
...
0x38000
TILE_BASE 14
0x3c000
TILE_BASE 15
256KiB
VRAM
95
Características del modo Teselado
●
●
●
●
Determinar el color de un píxel requiere un
direccionamiento más complejo (mapa de teselas y
la paleta de colores)
Es necesario “dimensionar” el tamaño de los datos
que componen el fondo.
Distintas memorias para distintos tipos de datos
(mapas, teselas o colores).
Conocer el color de un determinado píxel plantea
un excelente ejercicio de direccionamiento.
96
BLOQUE I – TEMA 1
BLOQUE III
Sistema de
Entrada-Salida
97
BLOQUE III – TEMA 5
Contenidos
●
Temporizadores
●
Interrupciones
●
Funciones de entrada y salida
●
DMA
98
Tema 5
Temporizadores y
Interrupciones
99
Temporizadores
Hardware disponible en la NDS
●
8 temporizadores (timers) de 16 bits
–
–
●
●
Funcionan como un contador de eventos
Frecuencia maestra de 33.554 MHz
–
●
4 divisores (1, 64, 256, 1024)
0x2000000
Soportan configuración en cascada
–
●
4 en el ARM9
4 en el ARM7
Incrementa cuando desborda el anterior
Pueden generar interrupciones
100
Programación de temporizadores
●
Dos registros por temporizador
–
–
●
TIMER_DATA(n)
TIMER_CR(n)
Valor del contador
Registro de control
Funcionamiento básico:
–
–
Escribir en TIMER_DATA(n) el valor donde empezará
la cuenta
Escribir en TIMER_CR(n)
●
●
●
●
El divisor de frecuencia TIMER_DIV_{1,64,256,1024}
Si se configura en cascada TIMER_CASCADE
Habilitar el temporizador con TIMER_ENABLE
Si se habilitan interrupciones con TIMER_IRQ_REQ
101
Registro de control TIMER_CR(n)
n ∈ {0,1,2,3}
TIMER_DATA(0) = TIMER_FREQ(1000);
TIMER_CR(0) = TIMER_DIV_1
| TIMER_ENABLE;
TIMER_CR(n)
15 14 13 12 11 10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Divisor de frecuencia
0 TIMER_DIV_1
1 TIMER_DIV_64
2 TIMER_DIV_256
3 TIMER_DIV_1024
TIMER_CASCADE
Habilita modo cascada
TIMER_IRQ_REQ
Habilita interrupción
TIMER_ENABLE
Habilita el temporizador
102
Registro de datos TIMER_DATA(n)
●
Para facilitar su programación se proporcionan
macros que calculan el valor para desbordar a
cierta frecuencia
–
TIMER_FREQ(n)
para TIMER_DIV_1
–
TIMER_FREQ_64(n)
para TIMER_DIV_64
–
TIMER_FREQ_256(n)
para TIMER_DIV_256
–
TIMER_FREQ_1024(n)
para TIMER_DIV_1024
103
Ejemplo: medir tiempo
con precisión de 30 ns
●
Si la función supera 0x10000 / 0x2000000 segundos
habrá que usar varios en cascada
TIMER_DATA(0) = 0;
TIMER_CR(0) = TIMER_DIV_1 | TIMER_ENABLE;
funcion_a_medir();
unsigned short t = TIMER_DATA(0);
printf(¨tarda %g segundos\n¨, (double)t/(double)0x2000000);
104
Ejemplo: usando interrupciones
●
Procesado completamente asíncrono
–
¡Cuidado! La RSI debe ser async-safe
●
Cuando se invoca, el procesador puede estar ejecutando
cualquier fragmento
void desbordaTemporizador() {
...
}
int main() {
TIMER_DATA(0) = 0;
TIMER_CR(0) = TIMER_DIV_64 \
| TIMER_IRQ_REQ | TIMER_ENABLE;
irqSet(IRQ_TIMER0, &desbordaTemporizador);
irqEnable(IRQ_TIMER0);
...
}
105
Funciones de entrada y salida
Cooperación ARM7-ARM9
Pantalla
tactil
Teclas
X, Y
Teclas
A, B, L, R
Teclas
←, ↑, →, ↓
Cierre de
la tapa
ARM7
ARM9
Teclas
Select, Start
REG_KEYXY
REG_KEYINPUT
Comunicación entre
ARM7 y ARM9
scanKeys
libnds
keysCurrent
keysUp
keysDown
keysHeld
touchRead
106
Funciones de libnds
●
void scanKeys()
–
●
uint32 keysHeld()
–
●
Teclas que se acaban de pulsar
uint32 keysUp()
–
●
Teclas que se mantienen pulsadas
uint32 keysDown()
–
●
Descubre y almacena las teclas pulsadas
Teclas que se acaban de dejar de pulsar
void touchRead(touchPosition* pos)
–
Dónde se ha pulsado en la pantalla táctil
107
El teclado de la NDS
keysCurrent, keysUp, keysDown, keysHeld, ...
15 14 13 12 11 10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
KEY_A
KEY_B
KEY_SELECT
KEY_START
KEY_RIGHT
KEY_LEFT
KEY_UP
KEY_DOWN
KEY_R
KEY_L
KEY_X
KEY_Y
KEY_TOUCH
KEY_LID
Añadidos por libnds a
partir de información
del ARM7
108
Ejemplo 1: pulsación teclas
#include <nds.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
Modifica keysHeld por
{
keysDown o keysUp
consoleDemoInit();
para ver qué sucede
for(;;) {
scanKeys();
unsigned keys = keysHeld();
swiWaitForVBlank();
if(keys==KEY_A) printf("A");
}
return 0;
}
109
Ejemplo 2: pulsación teclas
#include <nds.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
consoleDemoInit();
for(;;) {
scanKeys();
unsigned keys = keysHeld();
swiWaitForVBlank();
printf("\x1b[23;0f%c%c%c%c %c%c%c%c %c%c",
(keys & KEY_DOWN ? 'v': ''),
(keys & KEY_UP ? '^': ''),
(keys & KEY_LEFT ? '<': ''),
(keys & KEY_RIGHT? '>': ''),
(keys & KEY_A ? 'A': ''),
(keys & KEY_B ? 'B': ''),
(keys & KEY_X ? 'X': ''),
(keys & KEY_Y ? 'Y': ''),
(keys & KEY_L ? 'L': ''),
(keys & KEY_R ? 'R': ''));
}
}
110
Ejemplo 3: pantalla táctil
#include <nds.h>
int main(void) {
consoleDemoInit();
for(;;) {
swiWaitForVBlank();
scanKeys();
unsigned held = keysHeld();
if(held & KEY_TOUCH) {
touchPosition touch;
touchRead(&touch);
printf("\x1b[6;5HTouch x = %04X, %04X\n",
touch.rawx, touch.px);
printf("\x1b[7;5HTouch y = %04X, %04X\n", touch.rawy, touch.py); }
}
}
111
Acceso directo a memoria
(DMA)
ARM
RAM
DTCM
VRAM
DMA
112
Transferencias con DMA
●
●
La librería libnds proporciona funciones para la
transferencia de datos utilizando controladores de
DMA
Algunas consideraciones
–
Diferencia entre variables estáticas y dinámicas
–
Bloques de no más de 128KiB
–
Mayor eficiencia que otras funciones de
transferencia en las que interviene la CPU
dmaCopy(wallpaperBitmap, VRAM_A, 256*192*2);
113
BLOQUE I – TEMA 1
BLOQUE IV
Proyectos
114
BLOQUE IV – TEMA 6
Tema 6
Ejemplos de proyectos
de prácticas
115
Autómatas regulares
y Fractal del Pascal
116
¿Qué ponen en práctica?
●
●
Modos de direccionamiento.
–
Recorrer el fractal
–
Selección de colores
Matrices de transformación (punto fijo)
–
●
Ampliar y reducir el tamaño del fractal
Conocer los distintos tipos de memoria que intervienen en la
representación gráfica
–
Bancos de la VRAM
–
Cada fondo debe tener su banco de memoria asignado
●
Limitaciones de la caché (DTCM que contiene la pila de 16 KiB)
●
DMA y sus restricciones de uso
117
BLOQUE I – TEMA 1
Filtros de imagen
118
BLOQUE I – TEMA 1
Filtros de imagen
119
BLOQUE I – TEMA 1
Filtros de imagen
120
BLOQUE I – TEMA 1
Piano
121
Conclusiones
●
●
●
●
La arquitectura NDS puede ser explorada con un
lenguaje de alto nivel como C.
Todos los experimentos se realizan con un sistema
“real”.
La gestión de memoria para la representación de
gráficos pone en práctica los conceptos de
aritmética binaria entera y de punto fijo.
La peculiar jerarquía de memoria plantea un
excelente recurso para poner en práctica cómo la
arquitectura de memoria interfiere con la
entrada/salida (DTCM, caché y DMA).
122
Conclusiones
●
●
Se experimenta con los distintos tipos de E/S
–
Por consulta (teclado de la NDS)
–
Por DMA (uso de la función dmaCopy)
–
Por interrupciones (utilizando temporizadores)
Subsistema de memoria que nos permite realizar
numerosos ejemplos prácticos sobre
–
Direccionamiento
–
Alineamiento
–
Optimización
–
Interacción con otros otros subsistemas
123
Conclusiones
●
¿Qué conseguimos con los proyectos planteados?
–
El proyecto se divide en sub-proyectos para
permitir un aprendizaje gradual de lo más simple
a lo más complejo.
–
Cada sub-proyecto explora cuestiones modulares de
la arquitectura (memoria, interrupciones,
optimización, etc).
–
La complejidad algorítmica se reduce al mínimo
ofreciendo la implementación de aquellas partes
no triviales y que no son objeto de la asignatura.
124

int a = 1 - Universidad de Castilla

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