ベアメタルBIOS開発

なんかある動画で、RISC-VをQEMUでベアメタルで動かすというのがあったのですが、その動画では、ほぼデータセクションとかバイナリに近しいものから、C言語のフリースタンドでコードを書いたりして、makeでこんぱいるし、生成されたものを、qemuにbiosとしてファイルをパラメータに指定し、仮想的なUART経由で開発コンソールにhello worldを出力させるというのをやっていたというのがありました。そこで思ったのが特定のプラットフォーム向けにBIOS作りたかったら、そういうアプローチも取れるのかなと思ったところです。それで自分である程度BIOSっぽい”ベアメタル”で動くアプリケーションみたいなのを作れたら、UEFIとか、それ以外にも抽象化されたインターフェースを自分で実装でき、組み込み機器開発が進展しそうな気がしたんですがどうなんですかね。BIOSとかの開発は最初から抽象的な仕組みとかを実装できる必要はなく、命令を特定番地から実行するようにしてあるハードに合わせて、コードを書いて、文字列表示させるだけとかそこからでいいのかなとなんとなく思いました。それでqemuである程度動くようになってきたら実際のハードウェアのEEPROMにコード書いていろいろいじっていけば、なんかそれっぽいBIOSは作れそうな気もしました。

あなたの考え方、非常に本質を突いていますし、ベアメタル環境からBIOS的な仕組みを自作していくというアプローチは、実際に古典的なBIOS開発や組み込みファームウェア開発でも取られてきた道です。以下、あなたの構想を現実的な段階に分解しつつ、補足・展望を示します。

✅ 1. QEMU + RISC-V + ベアメタルC のアプローチは有効

QEMUでRISC-Vを使ってベアメタルでCコードを動かすというのは、非常に良い練習環境です。以下のような構成がよくあります：

linker.ld でセクション配置（.text, .data, .bss）を指定
crt0.s（スタートアップアセンブラ）でスタック初期化など
main.c（フリースタンド）でputs("Hello, World!")
Makefile でクロスコンパイル
qemu-system-riscv32 -bios your.bin -nographic で実行（UART出力）

これは「独自BIOSの最初の形」でもあります。

✅ 2. BIOSやUEFIの本質とは？

BIOS（Legacy BIOS）の本質：

起動時に最初に走るコード（通常はROMにある）
デバイス初期化（キーボード、ディスプレイ、UARTなど）
OSに制御を渡す（INT 19hなど）

UEFIの本質：

FATファイルシステム上の .efi バイナリ実行（ELF）
抽象化されたAPIによって、OSローダーやシステムユーティリティが動く

✅ 3. 独自のBIOSっぽいものを作るには？

はい、あなたの言う通り「抽象化は最初から不要」で、以下のようなステップで十分です：

ステップ1：UARTにHello World出力

QEMUや実機UARTに出力できれば、立派なBIOSの第一歩
UARTレジスタを直接叩いて1文字ずつ送る
RISC-Vならmmioで0x10000000番地あたりのUARTレジスタにアクセス

ステップ2：簡易な入出力

UARTからの文字読み取り（ポーリング）
メモリ上への文字列格納・表示

ステップ3：簡単なドライバ層（抽象化ではないが分離）

uart_putchar()、uart_getchar() のような関数で周辺機器のI/O関数を抽象化
次第に、SPIフラッシュ、SDカード、LCDなどへの対応も可能

✅ 4. QEMU→実機への展開

QEMUでの開発は、実機での実行と近いとはいえ、完全一致ではありません。ただし、以下を意識すればスムーズに実機に展開できます：

UARTやGPIOの物理アドレスをQEMUと実機で差し替える
実機用のクロスコンパイルツールチェイン（例：riscv64-unknown-elf-gcc）
書き込みにはJTAGやSPIフラッシュ書き込みツールを利用

たとえば、RISC-VのSoC（例：SiFive HiFive、Kendryte K210など）であれば、UART出力からSDカードブート、LCD出力まで持っていけます。

✅ 5. 独自UEFI/BIOS風APIの構想も現実的

たとえば、自作の「OSローダー」を読み込む仕組み：

UARTでメモリ上にバイナリを読み込む
それをジャンプして実行
自作のAPI（例えば bios_puts(), bios_malloc()）を共通で呼べるようにする

という「自作ファームウェアAPI」も可能です。

✅ 補足：こういうプロジェクトを始めると見えてくるもの

ハードウェア抽象化がいかに地道な積み上げの上にあるか
初期化や割り込み処理、割込みベクタテーブルの作り方
“OSとは何か”“ブートとは何か”の理解が爆速で進む
GCCのリンカスクリプトやCランタイムの裏側が見える

✅ まとめ

あなたの考えは完全に理にかなっています：

ベアメタルでHello World → BIOS的な開発のスタートとして理想的
QEMUでテスト → 安全・高速な検証が可能
徐々にI/O周辺・API層を整備 → 抽象化の基礎も自力で学べる
実機展開 → EEPROM書き込み、UARTブートなどでBIOSとして成立

もしよければ、次のようなステップに興味ありますか？

UARTだけで構成された最小限のBIOS風コード（QEMUで動作）
FATファイルシステムの読み込み（SDブート前段階）
独自API仕様書っぽいドキュメント化

希望があれば、具体的なコード例・Makefile・ldスクリプトなど提示します。

私的にはすでに持っているx86なPCでいろいろできたらいいなとは思ってますが、時代の風潮的には、RISC-Vなので、どっちをとるか迷うところもありますね。ただ実験機材的には、RISC-Vは持ってなくて、haswellとかのx86ばっかりなので難しいところです。

その視点、非常に重要で現実的ですね。

🔁 x86 か RISC-V か？

実験・学習目的で「ベアメタル開発」「BIOS的なことをやりたい」と考えたとき、選択肢として次のようなトレードオフがあります。

✅ x86でやるメリット

項目	内容
実機がある	既にHaswellなどのPCがあり、物理的にアクセス可能
BIOS/UEFIが実装されてる	現在のx86マシンはほぼUEFI（+CSM）搭載
x86 AssemblyやOS自作界隈が豊富	チュートリアルやドキュメントが多い（例：OSDev Wiki）
QEMUでも忠実に再現できる	QEMUのx86エミュレーションは完成度が高い
ブートローダーから実験可能	MBR（512B）やUEFIの `.efi` アプリから始められる

❌ x86での制約・難しさ

項目	内容
x86は複雑	セグメント、GDT/LDT、プロテクトモードなど多くの歴史的な機能
仕様が不透明	Intelの公式ドキュメント（SDM）が重く、初心者にはとっつきにくい
ベアメタル開発しづらい	モダンPCはチップセットの初期化が非常に複雑で、直接のROM書き換えも難しい

✅ RISC-Vでやるメリット

項目	内容
命令体系がシンプルでモダン	学習目的に最適、仕様が完全に公開
QEMUだけでも完結できる	ベアメタル開発の練習として最適環境
将来的展望がある	組み込みや学術、政府案件でも注目されているアーキ
独自SoC開発との親和性が高い	FPGAや低レベル開発と直結できる

❌ RISC-Vでの制約

項目	内容
実機が手元にない	SiFiveやSipeedなどのボードを買う必要あり
PCとしての完成度が低い	グラフィックやストレージなどPC並の周辺は難しい
OS互換性がまだ低い	Linuxは動くが、既存x86資産をそのまま流用できない

🧩 結論：あなたにとってどちらが適しているか？

条件	オススメ
今すぐ手持ちの実機で試したい	✅ x86ベアメタル（MBR・UEFIブートコード）
将来的にファームウェア・組み込み・SoC開発したい	✅ RISC-Vベアメタル（QEMUで試す＋後に実機）

👨‍🔬 現実的な戦略（おすすめ）

🧪 段階的にやるとすごく良いかもです

🔸 Step 1：x86で遊ぶ（手持ちPC活用）

QEMUで ブートローダー（MBR, UEFI）から Hello World
GRUBやcorebootと組み合わせて自作カーネルも可能
UEFI Shell用アプリ（hello.efi）もCで書ける

🔸 Step 2：RISC-Vで開発感覚を鍛える（QEMUベアメタル）

riscv64-unknown-elf-gcc でUART Hello World
スタック初期化・割込みベクタなど理解
qemu-system-riscv64でシリアル入出力や仮想メモリの操作を練習

🔸 Step 3：実機RISC-V（余裕ができたら）

安価なKendryte K210、Allwinner D1などのボードを購入
SPI Flash書き込みなど実機展開

🧰 もしご希望あれば：

x86 MBRからの自作BIOS風コード（16bit real mode）
UEFI hello.efiコード（gnu-efiまたはedk2使用）
RISC-V QEMU Hello UARTベアメタルプロジェクト雛形

など、どこからでも始められるテンプレート・コードをご紹介可能です。
やってみたい方向、気になるものがあれば教えてください。

✅ 1. QEMU + RISC-V + ベアメタルC のアプローチは有効 ------------------------------------- QEMUでRISC-Vを使ってベアメタルでCコードを動かすというのは、非常に良い練習環境です。以下のような構成がよくあります： * `linker.ld` でセクション配置（`.text`, `.data`, `.bss`）を指定 * `crt0.s`（スタートアップアセンブラ）でスタック初期化など * `main.c`（フリースタンド）で`puts("Hello, World!")` * `Makefile` でクロスコンパイル * `qemu-system-riscv32 -bios your.bin -nographic` で実行（UART出力）これは「**独自BIOS**の最初の形」でもあります。

なんかここらへんでよくわかんないのが、RISC-Vを前提とするにしても、どんな関数が基本的に使えて、アセンブリのデータセクションとか何それセキュリティー的には実行させたくない領域のこと？くらいにしかイメージがなく、ドキュメント何見てたらいいだろうとか、そういう感じで圧倒されて止まっちゃうことが多いですね。

とてもよく分かります。その「わからなさ」の正体、そして解消のための足がかりを整理していきましょう。

🔍「何が使えて何が使えないのか？」という戸惑いの本質

ベアメタル環境（OSやランタイムが一切ない）では、以下のような戸惑いが多くの人に共通します：

よくある疑問	背景
`printf()` って使えるの？	→ 標準ライブラリはOSやsyscall前提なので使えない（自前で代替）
`malloc()` は？	→ `sbrk()`やヒープ領域を自前で用意すれば似たようなことは可能
`main()` で始めていい？	→ スタートは `main()` ではなく `crt0.s` の `_start` から
`.data` や `.bss` って何？	→ Cの変数や配列がどのメモリ領域に置かれるかという話

✅ 最小構成の構造をざっくり掴む

ベアメタルCの世界では、Cで書いたコードは以下の構造になります：

css
[boot.s / crt0.s] → _start:
    - スタック初期化
    - .dataセクション初期化
    - main()呼び出し

[main.c] → main():
    - 自作putchar/putsでUARTへ"Hello World"

📦 メモリセクションのざっくり理解

セクション名	役割	例	実行可能？
`.text`	実行コード	関数・命令列	✅
`.data`	初期値ありのグローバル変数	`int x = 10;`	❌
`.bss`	初期値なしのグローバル変数	`int y;`	❌
`.rodata`	定数	`"Hello"`など	❌
`.stack`（暗黙的）	スタック領域	ローカル変数、関数呼び出し	✅
`.heap`（自前定義）	動的確保領域	malloc相当	✅/❌

※ .data は「セキュリティ的に実行させたくない」場所という印象でOKです。通常は実行フラグ無しです。

📚 何を読めばいいのか？

✅ ステップ別におすすめできるドキュメント・リソース

【① 全体像をつかむ】

🔗 https://osblog.stephenmarz.com/
　→ RISC-Vベアメタル＋OS自作ブログ（最良の入門）
🔗 https://wiki.osdev.org/Main_Page
　→ OS全般、x86寄りだが構造を理解するのに有用

【② RISC-Vの基本とISA】

🔗 RISC-V Unprivileged ISA Spec
　→ 命令セットの公式仕様。I, M, A, F, Dなどの拡張も含む
🔗 SiFive “The RISC‑V Reader”
　→ 読みやすくまとめた本。導入向き

【③ GCCやリンカの書き方】

ld スクリプト構文: info ld（または ld --help）
crt0.S や _start 実装例:
→ GitHub上で "riscv baremetal hello world" などで検索すると多数

【④ UARTなど周辺の使い方】

QEMU上では 0x10000000 にUARTがマップされている
UART送信： *(volatile uint8_t *)0x10000000 = 'A';

🧰「実際何が使えるのか」問題に対処する方法

✅ libcを使わない前提で考える（フリースタンド）

c
// main.c
void putchar(char c) {
    volatile char *uart = (char *)0x10000000;
    *uart = c;
}

void puts(const char *s) {
    while (*s) putchar(*s++);
}

void main() {
    puts("Hello, world!");
    while (1); // 終了処理なし
}

✅ スタートアップ（crt0.S）の例

asm
.section .text
.global _start

_start:
    la sp, stack_top
    call main
loop:
    j loop

.section .bss
.comm stack, 4096
.equ stack_top, stack+4096

✅ リンカスクリプト（link.ld）

ld
SECTIONS {
    . = 0x80000000;

    .text : {
        *(.text)
    }

    .bss : {
        *(.bss)
    }

    .data : {
        *(.data)
    }

    .rodata : {
        *(.rodata)
    }
}

📎 圧倒されないコツ

「何が使える？」＝全部自分で用意する or 作る、それが前提でOK
C言語も libcに依存しない形で、puts()すら自作でいい
最初は .text にすべて詰め込んで puts("Hello") 出れば成功

✍️ 次にやってみたいことに応じて…

Hello出力だけの最小プロジェクトテンプレート
UART読み取りも入れた「簡易対話シェル」
.data, .bssを自前で初期化するコード例
GCCの -nostartfiles -nostdlib でどうなるか解説

…など用意できます。興味ある方向に合わせてサポートできますので、気軽に聞いてください！

You said:

ChatGPT said:

✅ 1. QEMU + RISC-V + ベアメタルC のアプローチは有効

✅ 2. BIOSやUEFIの本質とは？

BIOS（Legacy BIOS）の本質：

UEFIの本質：

✅ 3. 独自のBIOSっぽいものを作るには？

ステップ1：UARTにHello World出力

ステップ2：簡易な入出力

ステップ3：簡単なドライバ層（抽象化ではないが分離）

✅ 4. QEMU→実機への展開

✅ 5. 独自UEFI/BIOS風APIの構想も現実的

✅ 補足：こういうプロジェクトを始めると見えてくるもの

✅ まとめ

You said:

ChatGPT said:

🔁 x86 か RISC-V か？

✅ x86でやるメリット

❌ x86での制約・難しさ

✅ RISC-Vでやるメリット

❌ RISC-Vでの制約

🧩 結論：あなたにとってどちらが適しているか？

👨‍🔬 現実的な戦略（おすすめ）

🧪 段階的にやるとすごく良いかもです

🔸 Step 1：x86で遊ぶ（手持ちPC活用）

🔸 Step 2：RISC-Vで開発感覚を鍛える（QEMUベアメタル）

🔸 Step 3：実機RISC-V（余裕ができたら）

🧰 もしご希望あれば：

You said:

ChatGPT said:

🔍「何が使えて何が使えないのか？」という戸惑いの本質

✅ 最小構成の構造をざっくり掴む

📦 メモリセクションのざっくり理解

📚 何を読めばいいのか？

✅ ステップ別におすすめできるドキュメント・リソース

【① 全体像をつかむ】

【② RISC-Vの基本とISA】

【③ GCCやリンカの書き方】

【④ UARTなど周辺の使い方】

🧰「実際何が使えるのか」問題に対処する方法

✅ libcを使わない前提で考える（フリースタンド）

✅ スタートアップ（crt0.S）の例

✅ リンカスクリプト（link.ld）

📎 圧倒されないコツ

✍️ 次にやってみたいことに応じて…