На диске было описание и схемы подключения не только для простых, но и для шаговых моторчиков. Сейчас я не смогу сделать его "образ", у меня сейчас нет подключенного CD-ROM, да и за диском лезть далеко. Сейчас я такого в Интернете не нашёл, зато есть куча другой, уже новой, информации, да и микросхемы уже есть посложнее и более продвинутые, так что он вам вряд ли нужен. Если кто-то хочет, напишите в личных сообщениях, придется подождать, но, может быть, как-нибудь руки дойдут. Тому, кто не верит, что я этот диск нашёл — правда-правда! Вот чек:

Нашлись микросхемы, которые управлялись, как раз, напряжением 5В, которое было на моём LPT.

Мне ещё хотелось сделать манипулятор, чтобы можно было подвигать им, что-то захватить или переместить. Подумав, что в манипуляторе тоже используются двигатели, а управление я всё равно подключу похожим образом, я подумал, что в качестве примера для исследования управления манипулятором моя машина хорошо подходит. Она тоже может перемещать предметы, в конце концов, можно будет приделать ей захват. Я решил пробовать подключить для управления с компьютера не что-то собранное заново, а уже имеющуюся у меня машину.

Чтобы подключить что-то к чему-то, сначала нужно сделать плату. Я делал платы из текстолита с медным покрытием, опять же, с Митинского радиорынка. Покрытие нужно покрыть лаком, который повторял бы проводники и контактные площадки, затем протравить лишнее медное покрытие. Для этого нужно пролить хлорное железо на ковёр, испачкать всё и хорошенько пропитать свою одежду цапонлаком. После этого можно покрыть облитый реагентом ковёр пылью от сверления дырок в текстолите под ножки дискретных деталек, испортить несколько листов дорогого, по моим меркам, текстолита. Получается плата, типа, как печатная, только рукотворная.

Микросхема работала следующим образом. Каждая из них управляла одним двигателем. Подавала питание разной полярности на два выхода, в зависимости от наличия напряжение на, кажется, двух её управляющих ножках: вперёд и назад. Я не помню ее точное название. Если нет сигналов, то двигатель не работает. Я купил в том же Чип и Дипе и подключил две таких.

Сначала я нарисовал схему на листке бумаги, затем подключил по ней микросхемы к выходам LPT-порта. Через программу на порт выводится число, где единица присутствует или отсутствует на нужных ножках подключенной к его выходам микросхемы. Когда порт подаёт единицу, то есть, напряжение на нужные ножки — двигатели крутятся. Выходы микросхем соединил с правым и левым двигателями на моём "манипуляторе". Если оба вперёд, то машина двигается вперёд. Если в разные стороны, то поворачивает. Я сделал разворот на месте, как у некоторых настоящих танков.

Следующим шагом должно было стать подключение клавиатуры, но это уже было делом техники. Помимо стандартных для "бродилок" и "стрелялок" WASD для движения я подключил и мышку. Я сделал так, что машина копировала движения оператора ПК. Двигаешь ей вперёд — машина едет вперёд, назад — едет задом. С помощью мышки получился уже, буквально, настоящий манипулятор. Двигаешь мышью в сторону — машина поворачивает. В управлении я задействовал и и кнопки. Нажимается левая кнопка — поворот налево, правая — направо, обе — движение вперёд.

Программа для этого захватывала курсор мышки и прятала его. Но я тут же задался вопросом: если невозможно будет двигать курсором, то как остановить программу? Поэтому я добавил кнопку, на которую автоматически наводился фокус. Чтобы остановить управление, нужно надавить на Пробел, эта кнопка нажмётся, и пользователю вернётся курсор.

Странно, но ни в школе, ни в институте на уроках по программированию нас не учили, что бывают разные версии ПО и как называть переменные, и, соответственно, в моих каталогах для разработки ПО программы хранились под названиями типа: LPT_final, LPT_final2, LPT_final_latest, LPT_final_latest2, ну и так далее. Переменные назывались просто X, Y, O и т. п, и программа на скриншоте называлась, как и многие, для которых я не напрягался, придумывая названия, "Project1.exe".

Я долго испытывал управление и проходимость машины в разных условиях и разными манёврами. Управлять настоящим предметом, используя клавиатуру и мышку, прямо как компьютерным персонажем, было круто! Можно представить, что машина исследует виртуальный мир, а ты ее оператор. В этом мире были и рендер, и разрешение, и физика столкновений получше, чем в компьютерных играх. Особенно реалистичными казались ожоги от соскользнувшего с жала паяльника мне на кожу припоя.

Однако оставалась ещё одна возможность, которую стоило попробовать применить. Что если управлять им по сети? Получится ли и насколько большой будет задержка? Будет ли "пинг" настолько большой, что машиной невозможно будет рулить?

Удалённое управление

Я стал думать, как можно передать числа, которыми управляются двигатели с LPT-порта, по сети. Первое, что пришло в голову — это локальная сеть, благо, у меня был для неё коаксиальный кабель и сетевая карта, тоже снятая с Пентиума, но второго компьютера у меня не было. Не только второго, но и вообще компьютеров не было ни у друзей, ни у соседей. Компьютерами пользовались только те знакомые, кто учился в институте. Даже их родители считали компьютер бесполезной тратой денег, дорогой игрушкой, которая только портит зрение и отвлекает от прополки картошки.

Я перебрал в голове кучу вариантов, но остановился на том же Visual Basic. Для этого в этом языке существовал другой модуль под названием winsock.ocx. В качестве протокола я сначала выбрал TCP, однако меня сразу же озадачила некоторая сложность при потере пакетов. Тогда я переключился на UDP, потому что в нём не нужно было считать отправленные пакеты. Сколько пришло, тем и будем довольствоваться.UDP просто отлично подошёл для моей цели.

Я слегка изменил программу для управления вездеходом, создав внутри неё аналог передачи позиции курсора на выход LPT, но не напрямую, а через сетевые сигналы. Поэтому теперь она разделилась на две части, клиентскую и серверную. Клиент подключался к "серверу" по IP-адресу, вводимому в текстовое поле.

Как я уже упомянул, второго компьютера у меня не было, и управлять, и смотреть на картину движения вездехода, всё равно приходилось с одного и того же ПК. Для этого нужно было запустить и клиентскую, и серверную часть, на моём компьютере, и связать их, введя в клиент IP сервера.

Эта программа на современных ОС уже тоже не запускается.

Для их запуска, возможно, сработает установка Windows 98 на виртуальную машину, однако сейчас я не могу этого сделать.

При программировании в Visual Basic было очень просто вставлять компоненты различных программ прямо в "формы". По-моему, я добавил в неё одним из компонентов NetMeeting, и запаковал всё в "установщик". По крайней мере, сейчас, в одной из ошибок запуска, программа ругается на именно этот неработающий компонент. Файл "Conf.exe" — это и есть программа NetMeeting. Она, в качестве рудимента, дошла до Windows Vista.

Дату изменения исполняемого файла повредил вирус, но внутри установочного CAB все даты правильные.

Получилась программа для удалённого манипулирования машиной. Правда, тестировать работу программы мог только я у себя на компьютере, и я подсоединял программу управления к серверной её части, запускавшуюся на том же компьютере, по IP 127.0.0.1.

Поскольку у меня есть веб-камера, почему бы не попробовать установить её на трактор? Я поставил, но провод от неё был настолько толстый, что управлять ей было не удобно. Чтобы испробовать телеуправление, я решил, что проще наводить камеру на машину, а сам вездеход ездил бы по столу под ней. Пользователь мог видеть перемещения машины на своём экране, через камеру, и управлять движением устройства с помощью мышки и клавиатуры.

Программа состояла из двух частей, программа-клиент и сервер. Управляющий запускал на своём компьютере клиентскую часть, а тот, у кого был компьютер с машиной — серверную. Управляющий смотрел Winipcfg IP-адрес сервера и вводил его в клиентскую часть программы, программа сама подставляла IP-адрес в NetMeeting, и они соединялись. Управление шло с видео: видео и аудио передавались через NetMeeting.

Боевой выезд

Для связи с Интернетом бодро свистел в телефонную сеть PCI-модем 3Com, который, по идее, должен был выдавать 56 килобит в секунду. Одним из крупнейших и самых известных Интернет-провайдеров, представленных на всех выставках и больше всего раздававших там предметов и буклетов с рекламой, был Demos со своим знаменитым доменом SU, что означало Soviet Union: http://demos.su . Однако мой модем с основными провайдерами: MTU Inform, Caravan, Demos и Sitek, не всегда соединялся по Dial-up на заявленной максимальной скорости, и чаще скорость была всего 33,6 килобита в секунду.

Проверить работы удалённого управление было катастрофически не с кем. Друг, с которым мы связывались по видеосвязи, был занят.

Я подумал, что, ведь, в сущности, можно было бы проверить и без обратной связи. Управление будет работать и в том случае, если если кто-то просто запустит клиент на своём компьютере и будет видеть мою камеру. Тогда, водя мышкой, он сможет поуправлять машиной. Этого было достаточно, ну а я ему потом перезвоню, и он расскажет словами, получилось или нет! Пришлось пожертвовать обратной связью в реальном времени, и я не мог получить впечатления об управлении прямо во время сеанса связи.

Пусть оператором машины буду не я, и пусть я не буду видеть и слышать водителя машины, пусть придётся только позже услышать его впечатления. Однако нужно было провести тестирование новой системы. Без этого я не мог понять перспективы и работоспособность такого подхода к удалённому управлению.

На помощь пришёл второй друг, которого звали просто Анатолич. У него был компьютер, и тоже был модем, не было ни микрофона, ни камеры. С компьютерами разговаривать было не принято.

Я позвонил ему.

— Привет, хочешь, я тебе покажу кое-что новое?

— Хочу, давай!

Я вкратце описал, как управлять моей системой с его компьютера. Программа просто устанавливалась: я постарался, чтобы от пользователя требовалось наименьшее количество самостоятельных действий, и включил все компоненты, включая программу для видеосвязи, в архив для установки. Установочный файл я передал Анатоличу на дискете, так как он жил недалеко, и для этого было достаточно спуститься к подъезду.

— Сначала мы созвонимся по модему, ты вот сюда набирай: Winipcfg, там смотри цифры, вставляй адрес вот сюда.

— Так, понял, записал. А что дальше?

— Кнопки работают так, у тебя откроется изображение. По видео контролируешь. Потом расскажи, что получилось!

Я стал ждать. И, в какой-то момент, металлический звонок дискового телефона зазвонил, однако соединение по медным телефонным линиями тут же перехватил модем 3Com, "подняв трубку" первым. Сначала я просто смотрел на машину, но ничего не происходило. "Что же я подключил не так?" — было, успела промелькнуть у меня мысль. Похоже, что Анатолич всего лишь искал мой IP и подключался через программу-клиент. И затем машина задвигалась.

Вездеход поехал вперёд, развернулся. Он ездил вперёд и назад, влево и вправо, повторяя движение мышки в руке Анатолича. Машина поворачивала на месте, исследуя стол и перекручивая свои провода. Анатолич быстро разобрался с управлением. Пару раз танк чуть не свалился со стола, и пришлось ловить его руками, прямо в кадре у оператора.

Невероятно, но сейчас передо мной, в 2002 году, телеуправляемый вездеход исследовал письменный стол. Он передавал видео с одной из первых веб-камер через видео- и аудиопотоки, сжатые для передачи по медным проводам одними из первых кодеков. Мой друг направлял машину своей мышкой с удалённого компьютера и наблюдал за её движением через одну из самых первых программ для передачи видео, подключавшую собеседников тогда ещё напрямую, через IP-адрес.

Похоже, Анатолич вошёл в раж первооткрывателя новой технологи. Мне показалось, что ему нравилось не только ездить, но и просто смотреть в камеру на машину с разных сторон. Мне часто приходилось распутывать провода, запутавшиеся после разворотов вокруг колёс стол вездехода.

Когда я перезвонил Анатоличу через настольный телефон и спросил его о работе технологии, он подробно рассказал, как и что он делал и что видел, и что всё работало, как я и сказал.

Результат тестирования и отзыв оператора

Друг рассказал, что задержка при управлении в долю секунды почти не мешала вождению, и что ему очень понравилось.

Долгое время я не хотел устанавливать на компьютер Windows XP, который вышел недавно. С одной стороны, интерфейс Windows 98 мне нравился больше, а, с другой, мне не хотелось терять быстродействие компьютера. Ведь XP, хоть и хвалился скоростью своей работы, на практике был заметно медленней, чем Windows 98.

Видимо, чтобы простимулировать популярность XP, производители нового ПО стали стремительно прекращать поддержку Windows 98, и выбора не оставалось: пришлось обновить и ОС. Когда я запустил свою программу под XP, я увидел, что в ней убрали возможность прямого управления портами.

Оказалось, что моя видеокамера Kensington внезапно также перестала работать с какими-либо Windows, старше Windows Millenium. Поэтому я не мог ее использовать, и долгое время оставался без веб-камеры. Лишних "Денег" на новую у меня не было.

Microsoft прекратила поддержку NetMeeting и MSN Messenger. Поскольку в Windows XP "vbio32.dll" уже не посылал сигналы на выходы LPT-порта, я с головой погрузился в другие проекты. Отложив идею в долгий ящик!

Для того, чтобы попробовать подключение к современному, на то время, PC и модемному Интернету, нужно было какое-то устройство, которое было бы, с одной стороны, просто собрать, а с другой, которое бы показало дальнейшие перспективы управления подобным образом. Из положительного заключения оператора созданного устройства по результатам тестирования, стало понятно, что, несмотря на некоторые неудобства, скорости 33,6 кбит/с и видео и аудио, сжатых первыми кодеками, хватало на управление по видеосвязи, и задержка не мешала движению и контролю над подключённой машины.

Неудобства заключались в том, что было слишком сложно созваниваться и искать IP-адрес, каждый раз предоставлявшийся провайдером заново, и в том, что во время связи нельзя было разговаривать по телефону.

Только представьте, что управлять удалённым устройством, при правильном подходе, можно было из любой точки мира и видеть результаты своих действий в прямом эфире, прямо на экране! Пусть и на пузатом экране семнадцатидюймового ЭЛТ-монитора.

Нет, это не шутка и не кликбейт. Такое действительно возможно - правда через небольшой хак.

Недавно я задался вопросом: а возможно ли написать для ARM нативную программу, которая будет бесшовно работать сразу на 4-х операционных системах без необходимости перекомпиляции для разных платформ и ABI. Мне очень хотелось реализовать возможность писать кроссплатформенные эльфы для мобильных телефонов из нулевых и попытаться портировать на них эмуляторы ретро-консолей. Погрузившись в документацию на исполняемые форматы, я пришёл к выводу, что да - это возможно и смог реализовать такую программу на практике без читерства по типу VM! Всех гиков приглашаю под кат!

❯ Зачем и почему?

Давным-давно, в далёком 2001 году, мир увидел легендарный японский телефон - Sony CMD-J70. Ещё до создания совместного подразделения с Ericsson, Sony выпускала достаточно занимательные девайсы, которые привлекали внимание не только рядовых пользователей, но и моддеров всех мастей. Уже через пару лет после выхода, в программном плане телефон копали все кому не лень: кто-то менял графику, кто-то писал патчи, а со временем написали даже бинлоадер (PRGLoader) - загрузчик внешних "экзешников", позволявший запускать на телефоне произвольный софт, написанный на ассемблере!

Сейчас сложно себе представить, но в те годы это был нереальный отвал башки: на большинстве телефонов были доступны разве что Java/Mophun-приложения, которые обладали ограниченным функционалом и уж тем более не позволяли лезть в дебри прошивки телефона, а здесь были программы которые буквально позволяли делать с телефоном всё что захочешь: светомузыку из подсветки, кастомные игры, обои на главный экран... всё это было доступно только на куда более дорогих смартфонах с Symbian и Windows Mobile на борту!

Недавно мы с вами вспоминали о легендарном Siemens M55 и узнали, что у него находится под капотом. Несмотря на диковинную архитектуру Infineon C166, даже под этот телефон делались патчи и была написана как минимум одна кастомная игра. Но рассвет моддинг-сцены Siemens произошёл с выходом платформы S-Gold на базе стандартного ядра ARM926EJ-S, когда в ~2004 году энтузиасты полностью взломали алгоритм генерации BootKEY для загрузчика, а затем в 2006 году реализовали полноценный эльфлоадер, который позволял загружать программы написанные на C и скомпилированные самым обычным компилятором ADS. В отличии от бинлоадера для CMD-J70, "эльфятник" позволял угонять функции RTOS для создания потоков и привносил в бюджетные телефоны полноценную вытесняющую многозадачность с настоящим диспетчером задач и возможностью запуска несколько программ одновременно:

Энтузиасты раскапывали прошивку в дизассемблере, изучали её и пытались понять как работают разные её подсистемы. Результатом стало появление нативного клиента почты с предком пуш-уведомлений, аськи (NatICQ), порты самых разных эмуляторов ретро-консолей и даже полная программная поддержка MP3 в тех телефонах, где её отродясь не было! И представьте себе, почти все эти программы можно было свернуть и продолжить работу в браузере или, например, Card Explorer'е! Одним из эльфописателей был Хабровчанин @ilya_ZX

Но если вы думаете что одними телефонами Siemens энтузиасты были едины, то вы ошибаетесь - ведь круче были только "моторолки"! В 2004-году, недорогая Motorola E398 с двумя громкими динамиками, светомузыкой и поддержкой MicroSD-флэшек, стала настоящим бестселлером и привлекла к себе не меньше энтузиастов, чем Siemens. Ребята сплотились на форуме MotoFan, нашли уязвимость в загрузчике и хакнули верификацию RSA-подписи у прошивок, позволив не только модифицировать Seem'ы (что-то типа NVRAM), но и создавать для телефона кастомные прошивки - монстрпаки, которые прибавляли громкость и без того не самым тихим динамикам и в различных аспектах изменяли главное меню устройства. Со временем, @Andy51 и ещё несколько энтузиастов реализовали эльфлоадер (EP1) для E398, раскопали прошивку и написали много полезного софта, время от времени переключаясь на Linux-телефоны от Motorola...

Вероятно многие читатели подумают мол "было и было, мой айфон/сяоми может запускать любой произвольный софт и эти ухищрения давным-давно неактуальны...". Но как бы не так: про моторолки и сименсы не просто всё чаще вспоминают, у них есть до сих пор активное моддерское коммьюнити, которое продолжает пилить для них кастомный софт и далее колупать прошивку. Всё тот же @EXL портировал крутой софтрендер для E398 и в 2025 году наконец-то взломал C350, @Azq2 пилит аппаратный эмулятор Infineon S-Gold и многие другие делают свой вклад в моддинг сцену уже не таких мейнстримных, но отнюдь не устаревших устройств!

Однако порог вхождения для написания эльфов достаточно высокий: нет никакой отладки кроме printf, любая ошибка в приложении приводит к зависанию или ребуту телефона (на сименсах с характерным "пик"), а API напрямую импортируется из прошивки телефона и может быть достаточно комплексным - ни о каких кроссплатформенных эльфах и речи не идет. Поэтому в какой-то момент мне стало интересно: а возможно ли написать такой эльфлоадер, который за своим рантаймом будет прятать детали реализации работы с аппаратной начинкой телефона и при этом загружать один и тот же бинарник на всех поддерживаемых платформах без особых патчей и изменений? Принявшись за изучение ABI ARM и спецификации Elf, я начал дизассемблировать и изучать самые маленькие тестовые программы...

❯ Формат ELF, ABI ARM и тулчейн

Начнём с самого простого: что же такое эти самые эльфы? Elf - формат исполняемых файлов, широко применяемый как в мире Unix-систем, так и в embedded-устройствах. Самые распространенные тулчейны - GCC и clang/llvm, по умолчанию собирают программы именно в этом формате и по своей сути, это прямой аналог .exe (PE) файлов из Windows. Помимо кода, Elf также содержит в себе множество секций и различных данных, при этом разработчики формата старались сделать его настолько гибким, чтобы его можно было использовать на любых архитектурах: от x86, до risc-v.

Каждая программа состоит из так называемых секций - участков кода, данных и метаданных, необходимых для её загрузки в память. Среди секций простой программы можно выделить как минимум четыре основных:

.text - хранит в себе код программы и обычно записывается в память с флагами MMU R X (чтение и выполнение)

.data - преинициализированные данные, имеет флаги R W (чтение и запись). Например, заполненная структура в C:

int a[] = { 1, 2, 3 };

.bss - не инициализированные данные, иными словами глобальные переменные, которые при старте программы должны быть забиты нулями. Имеет те же флаги, что и .data.

.rodata - различные константы: строковые, const-преинициализированные массивы, а также структуры и т.п, имеет только флаг R и на системах с MMU попытка запись в эту секцию повлечет SIGSEGV.

За загрузку всех этих секций отвечает загрузчик Elf в ядре ОС. Однако это справедливо только для простых программ, которые загружаются в фиксированный адрес виртуальной памяти и которые не используют внешние библиотеки (.so, аналог в Windows - .dll). Поскольку адрес загрузки для всех библиотек предсказать невозможно, разработчики ABI придумали позиционно-независимый код (PIC и его производное - PIE), который может загружаться в любую область памяти и оттуда выполняться.

Реализация PIC может достигаться тремя разными способами:

• Первый способ заключается в использовании глобальной таблицы смещений (GOT) и релокаций. Релокации - специальные данные в Elf, которые позволяют переместить программу в другой адрес путём патчинга адресов в секции .got "на лету": иными словами, сам код (.text) остаётся позиционно-независимым (дабы библиотеку можно было загрузить один раз и использовать во множестве процессов) и обращается к GOT относительно PC, но в самом GOT (который представляет из себя массив void* addresses[]) указатели на остальные сегменты находятся так, будто программа загружается по смещению 0x0. Задача динамического линкера - посчитать абсолютный адрес для всех указателей в GOT: в простейшем случае, это got[address] += baseAddress.
  Релокации могут затрагивать сразу literal pools в обход GOT, если архитектура предусматривает их наличие.

• Релокацией занимается динамический линкер или интерпретатор в мире Unix (тот самый ld.so, что часто "not found" :) ), а самих релокаций есть много разных видов в зависимости от архитектуры процессора. В ARM чаще всего встречается R_ARM_REL32

• Второй способ заключается в том, что мы компилируем программу так, будто она должна загружаться по фиксированному адресу 0x0 - то есть без PIC, однако просим линкер (--emit-relocs) создать информацию о всех обращениях к памяти в виде всё тех же релокаций. Вместо R_ARM_REL32, линкер создаёт релокации R_ARM_ABS32, которые можно разрешить обычным сложением.
  С таким подходом количество релокаций кратно увеличивается, однако из-за отсутствия GOT немного повышается быстродействие программы (вместо трёх LDR для загрузки слова из памяти нужно всего два: из Literal pool в регистр и затем из фактической памяти).

Третий способ поддерживается не везде, но в ARM он является одним из самых распространенных в embedded-среде: код собирается с флагами /rwpi и /ropi полностью не зависит ни от GOT, ни имеет каких либо релокаций. Вместо этого, для адресации базового адреса программы он использует выделенный регистр R9, который загрузчик должен заполнить адресом, куда он загрузил программу (mov r9, textSectionBase). Такой подход теоретически чуточку быстрее, чем GOT, но медленнее второго подхода из-за необходимости добавлять сложение регистра с PC перед каждым фетчем из памяти.

Поскольку в телефонах MMU обычно не используется, эльфлоадеры загружают программы по тому адресу, что им выделяет системный аллокатор памяти и вынуждены использовать PIC. Чаще всего используются релокации (как минимум на Siemens и Motorola), на некоторых платформах используется второй подход с использованием регистра R9.

Для большей гибкости, я решил выбрать второй подход и построить свой эльфлоадер поверх уже существующих загрузчиков, обернув API прошивок в ряд собственных стандартизированных функций: работа с дисплеем, вводом, файлами, а также звуком. При этом эльфы должны собираться современным компилятором clang с поддержкой C99, чтобы была возможность легко портировать современные single-header программы по типу эмуляторов, да и в целом не писать код на манер Ansi C, когда переменную нигде нельзя объявить кроме начала блока.

Далее я сутками игрался с компиляторами и пытался заставить выдать их подходящий для моих целей код и по итогу написал скрипт для линкера, который для простоты загрузки файла объединяет все секции в один .text (таким образом остаётся всего один Program Header):

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm")
SECTIONS
{
. = 0x0;
.text : {
*(.r9ptr)
*(.text*)
*(.data*)
*(.bss*)
*(.rodata*)
*(.functions)
}

.rel : {
*(.rel*)
}

/DISCARD/ : {
*(.ARM.*)
}

}

И следующий набор опций для компилятора, который устанавливает архитектуру и целевой процессор, ABI для FPU, включает генерацию релокаций и отключает выравнивание в линкере для выходного файла (иначе файлы забиты нулями и весят целых 64Кб:

Когда компилятор наконец-то начал выдавать корректный код, я принялся писать сам эльфлоадер. За качество кода и отсутствие нормальной структуры не ругайте - это эмбеддед, тут можно ;))

На входе лоадеру поступает адрес загруженного в память эльфа и его длина. Задача эльфятника - верифицировать заголовок и убедится что он собран с подходящими параметрами:

// Read and verify ELF header
Elf32_Ehdr* hdr = (Elf32_Ehdr*)data;

PRINT("Loading ELF...");
if(hdr->e_machine != EM_ARM)
{
PRINT("Not an EM_ARM executable");

return 0;
}

if(hdr->e_ident[EI_DATA] != PLATFORM_ELF_ENDIANESS)
{
PRINT("Endianess mismatch");

return 0; // Wrong endianess
}

Проанализировать таблицу заголовков с служебной информацией о том, что находится по тому или иному смещению в файле: загружаемая секция, таблица символов или строк, а затем загрузить все секции в участок памяти, который нам выдал аллокатор. На MMU-системах адрес должен быть выровнен по размеру страницы, иначе система не даст выдать страницам флаг EXEC!

ret = (ExecInfo*)ExecAlloc(sizeof(ExecInfo));

sections = (Elf32_Phdr*)(&data[hdr->e_phoff]);
sh = (Elf32_Shdr*)&data[hdr->e_shoff];
symSectionIndex = hdr->e_shstrndx;
codeSize = 0x0;

PRINT("Processing program headers");
// Process program headers and determine total size
for(i = 0; i < hdr->e_phnum; i++) {
Elf32_Phdr hdr = sections[i];

if(hdr.p_type == PT_LOAD) {
if(hdr.p_offset == 0x0)
continue;

codeSize += hdr.p_memsz;
}
}

PRINT("Allocating memory for .text");

textSection = (char*)ExecAlloc(codeSize);
textOffset = textSection;

ret->CodeSection = textSection;

if(!textSection)
{
free(ret);
PRINT("Failed to allocate .text section");

return 0;
}

Далее найти секцию с таблицей символов и с строками, где содержатся имена символов:

PRINT("Analyzing section table");
for(i = 0; i < hdr->e_shnum; i++)
{
Elf32_Shdr sec = sh[i];

if(sec.sh_type == SHT_STRTAB && i != hdr->e_shstrndx && strTable == 0)
{
strTable = &data[sec.sh_offset];
PRINT("Found string table");
}

if(sec.sh_type == SHT_SYMTAB)
{
PRINT("Found symbol table");
symbols = (Elf32_Sym*)&data[sec.sh_offset];
symNum = sec.sh_size / sizeof(Elf32_Sym);
}

if(sec.sh_type == SHT_REL && relocs == 0)
{
UtilPrint("Found relocations");
relocs = (Elf32_Rel*)&data[sec.sh_offset];
relNum = sec.sh_size / sizeof(Elf32_Rel);
}

if(sec.sh_type == SHT_RELA)
{
PRINT("Found unsupported relocation types");
return 0;
}
}

if(!strTable || !symbols)
{
free(ret);
PRINT(".strtab or .symtab not found");

return 0;
}

А затем найти функцию ElfMain, которая служит точкой входа и пропатчить таблицу импортированных функций! На этом, загрузка эльфа завершена - можно устанавливать регистр R9 и вызывать Main!

PRINT("Relocation fix-up");
for(i = 0; i < relNum; i++)
{
Elf32_Rel rel = relocs[i];
int sym = ELF32_R_SYM(rel.r_info);

switch(ELF32_R_TYPE(rel.r_info))
{
case R_ARM_ABS32:
*((unsigned int*)&textSection[rel.r_offset]) += (unsigned int)textSection;
break;
case R_ARM_JUMP24:
break;
case R_ARM_CALL:
break;
default:
PRINT("Unsupported relocation type");
}
}

PRINT("Patching import table");

// Analyze symbol table and patch all imported function pointers to real counterparts
for(i = 0; i < symNum; i++)
{
Elf32_Sym sym = symbols[i];
uint8_t* symName = &strTable[sym.st_name];

int symType = ELF32_ST_TYPE(sym.st_info);

if(symType == STT_OBJECT && strstr((const char*)symName, "SYS_"))
{
int funcNumber = ExecFindFunction(symName);

if(funcNumber == -1)
{
PRINT("Failed to import function: ");
UtilPrint((char*)symName);
PRINT("");

continue;
}

//drawDebug(FuncExportTable[funcNumber].Pointer == 0 ? "Not OK" : "OK");

*((unsigned int*)&textSection[sym.st_value]) = (unsigned int)FuncExportTable[funcNumber].Pointer;
}

if(symType == STT_FUNC && strstr((const char*)symName, "ElfMain"))
{
PRINT("ElfMain function is found");

ret->Main = (ExecMainFunction)&textSection[sym.st_value];
}

В Elf уже есть механизм импорта функций из сторонних библиотек, называется Platform Linkage Table. Для импорта функций прошивки, эльфлоадер Siemens использует SWI (сисколлы, что-то типа программных прерываний в x86 - int 10h и т.п.), Motorola же патчит thunk-функции на лету, которые сами вызывают настоящую функцию:

А я решил поступить несколько изящнее. В моем эльфятнике, функции импортируются с помощью специального макроса, который создаёт переменную-указатель на функцию, который изначально располагается в секции .functions. При этом с помощью ключевого слова asm, символу присваивается иное имя - с префиксом SYS_, которое означает то, что загрузчик эльфа должен пропатчить адреса функций на реальные (которые предварительно зарегистрированы в рантайме) в процессе загрузки программ и таким образом, избежать thunk-функций и позволить оптимизатору легко выкидывать указатели на неиспользуемые функции:

#ifndef LOADER
#define IMPORT(name, ret, ...) __attribute__ ((section(".functions"))) ret (* name )( __VA_ARGS__ ) asm( "SYS_" #name )
#define IMPORTNOARGS(name, ret) __attribute__ ((section(".functions"))) ret (* name )() asm( "SYS_" #name )
#else
#define IMPORT(name, ret, ...) ret name( __VA_ARGS__ )
#define IMPORTNOARGS(name, ret) ret name()
#endif

Что самое забавное, лучший способ отладить эльфлоадер - в QEMU с GDB под Linux. Однако я решил время не терять и отлаживал его сразу на смартфоне с Windows Mobile. А раз WM стал первой поддерживаемой платформой - на нем мы с вами и реализуем рантайм.

❯ Портируем на Windows Mobile (CE)

Поскольку всю жизнь я сижу в основном на Windows, а WinAPI в CE практически полностью копирует десктопную версию, никаких проблем с портированием рантайма не возникло. Единственный выбор который передо мной встал: стоит ли прокидывать stdlib из хост-системы в "эльфятник", или же воспользоваться реализацией newlib в clang/gcc. В процессе портирования на другие платформы выяснилось, что нормально libc реализован, по сути, только на Windows, во все остальных реализациях были лишь самые основные функции по типу malloc, free, memcpy, strcmp и т.п. Поэтому я решил не городить велосипеды и прокинул из хост-системы лишь аллокатор - т.е malloc и free:

// stdlib
IMPORT(elf_malloc, void*, int size);
IMPORT(elf_free, void, void* ptr);
/*IMPORT(elf_strcmp, int, char* str1, char* str2);
IMPORT(elf_strcpy, char*, char* dst, char* src);
IMPORT(elf_strlen, int, char* str);
IMPORT(elf_strstr, char*, char* string, char* substring);
IMPORTNOARGS(elf_rand, int);
IMPORT(elf_memcpy, void*, void* dst, const void* src, uint32_t length);
IMPORT(elf_memset, void*, void* dst, int what, uint32_t length);
IMPORT(elf_memmove, void*, void* dst, void* src, uint32_t length);*/

Далее я сразу решил, что платформозависимые функции для работы с дисплеем использовать не буду и из хост-системы мне нужен будет лишь указатель на фреймбуфер, а блиттинг, рисование текста и прочие операции я реализую сам. На первый взгляд может показаться что это единственное верное решение, однако на практике в некоторых телефонах (Motorola E398, Razr V3) активно использовались 2D GPU от ATI и Nvidia, которые рисуют (BitBLT) изображение значительно быстрее любой программной реализации.

Ниже представлена черновая реализация без преобразования пиксельформатов (поскольку на подавляющем числе телефонов использовался 565) и поддержки прозрачности через колоркей. Её можно оптимизировать до быстрого копирования по сканлайнам через memcpy:

for(i = 0; i < bitmap->Height; i++)
{
for(j = 0; j < bitmap->Width; j++)
{
LCD_PLOT_565(clamp(x + j, 0, lcd->Width), clamp(y + i, 0, lcd->Height), bmp[i * bitmap->Width + j]);
}
}

С точки зрения отрисовки текста, нативные функции платформ тоже предоставляют крутые фичи по типу сглаживания, поддержки не-моноширинных шрифтов, множества кодировок, а также различные типы выравнивания. Но здесь встаёт вопрос с портативностью таких решений: разные рендеры шрифтов оперируют по разному и не все из них используют в качестве системы координат пиксели. Соответственно, я пошёл по олдовому "эмбеддерскому" пути и сделал обычные битмапные шрифты, которые (пока) статически слинкованы с самим эльфятником.

__inline int LcdDrawChar(LcdInfo* lcd, char chr, uint32_t x, uint32_t y, uint16_t color)
{
if(x >= 0 && y >= 0 && x + FONT_WIDTH < lcd->Width && y + FONT_HEIGHT < lcd->Height)
{
int i, j;
unsigned char* glyph = &embedded_font[chr * 8];

for(i = 0; i < FONT_HEIGHT; i++)
{
short* fb = &((short*)lcd->Pixels)[(y + i) * lcd->Width + x];

for(j = 0; j < FONT_WIDTH; j++)
{
if((*glyph >> (FONT_WIDTH - j)) & 0x1)
*fb = color;

fb++;
}

glyph++;
}

return true;
}

return false;
}

void LcdDrawString(LcdInfo* lcd, char* str, uint32_t x, uint32_t y, uint16_t color)
{
SWITCH_CONTEXT;
if(lcd && x >= 0 && y >= 0)
{
unsigned int i;

for(i = 0; i < strlen(str); i++)
{
if(!LcdDrawChar(lcd, str[i], x, y, color))
return; // Out of screen

x += FONT_WIDTH;
}
}
END_CONTEXT;
}

Отладив эльфлоадер, я написал небольшую тестовую программу для вывода картинки и текста:

#include <system.h>

int ElfMain(void* ptr)
{
LcdInfo* lcd = lcdInit();

lcdDrawBitmap(lcd, bitmap, 0, 0);
lcdDrawString(lcd, "Test", 0, 0, COLOR_BLUE)

return 100;
}

И получил следующий результат:

Вот теперь всё работает! Пришло время портировать эльфятник на весьма необычную платформу, о потенциалах моддинга которой знают единицы...

❯ Портируем на MRP/MRE

И имя этой платформе, вернее даже двумя платформам - MRP и WRE. Эти платформы использовались на бюджетных китайских телефонах с 2007 по 2016 год. Встретить их можно было везде: легендарная Nokla TV E71/E72, клоны 6700, бюджетные телефоны Fly/Explay/DEXP и даже в оригинальных телефонах Nokia на платформе S30+ (например 230)!

И хотя люди часто считали такие устройства бесполезными в плане установки сторонних приложений, многие ранние "нонейм"-телефоны поддерживали запуск нативных программ через небольшой костыль - установку специального "загрузчика" dsm_gm.mrp и ввод комбинации *#220807# в номеронабиратель. Конечно, знали об этом костыле единицы и в 2010 году MediaTek решила сделать свою платформу под названием MRE (MAUI Runtime Environment), приложения для которой можно было запускать прямо из проводника без установки! SDK для обеих платформ сейчас свободно лежит в сети.

Обе платформы, по сути, занимаются тем же самым, что и мой эльфятник - прокидывают нативные функции MMI (оболочка телефона) в приложения и для загрузки позиционно-независимых программ используют третий подход с регистром R9, который обязательно необходимо где-то хранить и восстанавливать. Изначально мой эльфятник использовал такой же подход, из-за чего я написал отдельный костыль для "свичнга" контекстов, причем восстановление R9 я делал в отдельной функции из-за бага ассемблера в ADS:

#define SWITCH_CONTEXT unsigned int staticBase; __asm { MOV staticBase, sb;
LDR r0, [sb];
MOV sb, r0 }

#define ELF_CONTEXT(ptr) unsigned int staticBase; void* elfStaticBase = ptr; __asm { MOV staticBase, sb; \
MOV r9, elfStaticBase }

#define END_CONTEXT RestoreSB(staticBase);

Но я не учел то, что MMI хоть и построены по event-based принципу, в них нельзя так просто взять и сделать while(true) {}, а необходимо использовать таймеры, что влечет за собой постоянные костыли с свичингом контекстов что по итогу только снижает производительность. По итогу я перешел на релокации и реализовал проброс таймеров.

Во всем остальном, MRP и MRE простые как табуретка, никаких проблем с пробросом ввода и графики не возникло:

LcdInfo* LcdInit()
{
LcdInfo* ret;
ret = (LcdInfo*)malloc(sizeof(LcdInfo));
ret->Width = screenInfo.width;
ret->Height = screenInfo.height;
ret->Pixels = (void*)w_getScreenBuffer();

return ret;
}

void LcdFree()
{

}

void LcdLock(LcdInfo* info)
{

}

void LcdFlush(LcdInfo* info)
{
mrc_refreshScreen(0, 0, 240, 320);
}

И вот, наша программа уже запускается на двух совершенно разных ОС без каких либо проблем!

❯ А если что-то посложнее Hello, world?

Наверняка у читателя возникнет вопрос мол "окей, твой эльфятник может и способен запускать простые программы, но как насчет чего-то посложнее?". И конечно-же, для тестов я решил портировать не абы что, а целый эмулятор NES! В конце-концов, одна из целей разработки такого эльфятника - возможность запускать Java-игр и эмуляторов на многих кнопочных телефонах из нулевых.

Какое то время назад, я обнаружил весьма шустрый эмулятор NES от неизвестного разработчика из Китая. Код был неважного качества, никаких копирайтов в нём не было. Но поскольку сам эмулятор был быстрый (быстрее, наверное, только vNesC, который является прямым source-портом Java-эмулятора vNes на C), я отвязал его от целевой платформы и превратил в небольшую библиотеку для легкого портирования на любые платформы путем вызова всего нескольких функций:

typedef struct {
uint16_t* FrameBuffer;
uint8_t* JoyState;
} emuContext;

emuContext* emuInitialize();
uint8_t emuLoadROM(void* rom, int length);
void emuReset();
void emuDoFrame();
void emuShutdown();

И, соответственно, базовый порт на наш эльфятник выглядит примерно так:

#include <string.h>

#define FUNC_PROTOTYPES
#include <system.h>

#include <nes.h>
#include "nes_rom.h"

emu_context* ctx;
LcdInfo* lcdInfo;

void EmuTick()
{
emuDoFrame();

LcdLock(lcdInfo);
short* pixels = (short*)lcdInfo->Pixels;

for(int i = 0; i < EMU_FRAMEBUFFER_HEIGHT; i++)
{
memcpy(&pixels[i * lcdInfo->Width], &ctx->FrameBuffer[i * EMU_FRAMEBUFFER_WIDTH], lcdInfo->Width * 2);
}

LcdFlush(lcdInfo);

}

void EmuSetupTimer()
{
TimerAttach(1, EmuTick); // As fast as possible
}

void EmuSetupRegularLoop()
{
while(true)
EmuTick(); // TODO: If elfloader port will be usable on Android, add FPS limit :)
}

int ElfMain(unsigned int* basePtr, void* test)
{
lcdInfo = LcdInit();

ctx = emuInitialize();
if(!emuLoadROM(nes_rom, sizeof(nes_rom)))
{
UtilPrint("Failed to load ROM");
return 100;
}

emuReset();

switch(GetMainLoopType())
{
case PLATFORM_LOOP_MMI_TIMER:
EmuSetupTimer();
break;
case PLATFORM_LOOP_REGULAR:
EmuSetupRegularLoop();
break;
}

return 100;
}

А вот и результат:

❯ Заключение

Вот так и можно написать программу, которая бесшовно работает на трёх разных операционных системах, которые не имеют ничего общего друг с другом! На первый взгляд всё это кажется сложным, однако на практике очень просто и интересно! Нужно лишь взять дизассемблер в зубы и немножечко изучить то, что выдаёт компилятор.

А если вам интересна тематика ремонта, моддинга и программирования для гаджетов прошлых лет — подписывайтесь на мой Telegram-канал «Клуб фанатов балдежа», куда я выкладываю бэкстейджи статей, ссылки на новые статьи и видео, а также иногда выкладываю полезные посты и щитпостю. А ролики (не всегда дублирующие статью) можно найти на моём YouTube канале.

Очень важно! Разыскиваются девайсы для будущих статей!

Друзья! Если вам понравилась сегодняшняя статья про разработку эльфов, то спешу объявить: для подготовки будущих материалов с разработкой самопальных игрушек под необычные устройства, объявляется розыск телефонов и консолей! В 2000-х годах, китайцы часто делали дешевые телефоны с игровым уклоном — обычно у них было подобие геймпада (джойстика) или хотя бы две кнопки с верхней части устройства, выполняющие функцию A/B, а также предустановлены эмуляторы NES/Sega. Фишка в том, что на таких телефонах можно выполнять нативный код и портировать на них новые эмуляторы, чем я сейчас занимаюсь, а затем написать об этом подробную статью и записать видео! Если у вас есть телефон подобного формата и вы готовы его задонатить или продать, пожалуйста напишите мне в Telegram (@monobogdan) или в комментарии. Также интересуют смартфоны-консоли на Android (на рынке РФ точно была Func Much-01), там будет контент чуточку другого формата :)

А также я ищу старые (2010-2014) подделки на брендовые смартфоны Samsung, Apple и т. п. Они зачастую работают на весьма интересных чипсетах и поддаются хорошему моддингу, парочку статей уже вышло, но у меня ещё есть идеи по их моддингу! Также может у кого-то остались самые первые смартфоны Xiaomi (серии Mi), Meizu (ещё на Exynos) или телефоны на Linux (например Motorola EM30, RAZR V8, ROKR Z6, ROKR E2, ROKR E5, ZINE ZN5 и т. п., о них я хотел бы подготовить специальную статью и видео т. к. на самом деле они работали на очень мощных для своих лет процессорах, поддавались серьезному моддингу и были способны запустить даже Quake!). Всем большое спасибо за донаты!