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!

Осторожно: в статье я постарался подробно и простым языком написать об аппаратном моддинге и ковыряние в железе, хакинге Linux и обходе проприетарной оболочки, а также программировании и портировании софта с других платформ. Но есть нюанс...

Я очень большой фанат портативных гаджетов с полноценными QWERTY-клавиатурами: ноутбуков, коммуникаторов и различных хэндхелдов. Когда в мои руки попадает девайс с Linux или Windows CE в том или ином виде, я стараюсь максимально расширить функционал устройства и порой даже портирую программы с других платформ! Недавно мне удалось купить китайский детский обучающий ноутбук с MIPS-процессором и поворотным дисплеем всего за 1 000 рублей. Интересно узнать о том, как я хакнул девайс и причём здесь Dingoo A320? Тогда жду вас под катом!

❯ Предыстория

В конце 2000-х годов, цена на бюджетные ноутбуки снизилась настолько, что купить полноценный лэптоп мог почти каждый студент. Если в начале нулевых годов миниатюрность была роскошью и стоила довольно дорого по отношению к обычным 15-дюймовым бюджетникам, то с выходом Asus EEEPC в 2007 году, маленькие нетбуки с 7-дюймовыми дисплеями наоборот образовали новый сегмент рынка недорогих портативных устройств.

Сейчас мы с вами привыкли, что большинство ноутбуков работает на базе процессоров с двумя архитектурами — x86_64 и ARM. Однако в те времена, инженеры и производители активно экспериментировали и с альтернативными архитектурами — например, MIPS. В 2009 году, некая китайская компания Noah Educational Holdings, которая занималась разработкой портативных устройств для обучения дошколят и школьников младших классов, выпустила на рынок свой собственный миниатюрный обучающий ноутбук — Noah NP5000.

Обычно, когда читатель слышит «детский ноутбук», он представляет себе небольшое устройство с почти полноценной QWERTY-клавиатурой, небольшим монохромным ЖК-дисплеем и набором некоторых обучающих программ. При этом замоддить такие устройства не представляется возможным — в них используются микроконтроллеры с масочной ROM (прожигаемой на заводе), которые скорее всего являются близкими родственниками процессоров тех самых Тетрисов!

Однако в случае с NP5000 всё было совершенно по другому — дисплей здесь уже цветной, а не монохромный, вместо батареек используется полноценный аккумулятор, да и в целом девайс выглядит действительно как взрослый миниатюрный нетбук с поворотным экраном! При включении пользователя встречает заставка с логотипом компании и характерным пингвинчиком, рабочий стол, напоминающий Windows XP и определенный набор обучающих программ на китайском языке.

В один день я листал Goofish (китайский аналог Авито) в поисках интересных гаджетов, именно пингвинчик и привлёк моё внимание. Информации о том, на каком процессоре работает ноутбук, можно ли на него устанавливать сторонние приложения и что он вообще умеет в сети не было. Однако приятная цена в 1 000 рублей и желание заполучить интересный девайс в коллекцию взяли верх — и я решил рискнуть!

Когда девайс приехал ко мне, я немного поковырял его родную оболочку, попытался выйти в терминал, поставить пакеты OpenWRT — но всё тщетно, оболочка тщательно была закрыта от ушлых детских ручек! Поэтому я решил разобрать девайс и узнать, на каком процессоре он работает и есть ли у нас UART, на котором можно поискать рут-консоль или хотя-бы консоль U-Boot.

Девайс помог привезти в Россию мой подписчик Роман и сервис YouCanBuy, за что им огромное спасибо! Также этой статьи не было бы без подписчика Андрея, который занял мне определенную сумму для заказа ништячков из Китая, за что ему отдельная благодарность!

❯ Что внутри?

Разбирается маленький нетбук почти также, как и его взрослые собратья — через клавиатуру! Со стороны поддона виднеется съёмная крышка, которая на x86-устройстве должна содержать в себе место под HDD и слоты для оперативной памяти. Однако в нашем случае, здесь скрывается кое-что поинтереснее: видите характерное место под миниджек с подписанными пинами RX и TX? Это и есть UART, о котором я говорил в прошлом абзаце.

Плата ноутбука выделяется низкой плотностью монтажа и отсутствием какого либо охлаждения. Процессор, оперативная память и флэшка скрыты под большим защитным экраном на винтиках, в то время как дополнительные модули скрываются под экранами, которые припаяны к плате.

В качестве процессора используется легендарный Ingenic JZ4757! Это готовая система на кристалле, включающая в себя MIPS-ядро собственной разработки с микроархитектурой XBurst, работающее на частоте до 380МГц, видеоконтроллер с возможностью вывода картинки на дисплей или телевизор, аудиокодек, USB-хост и т. п. Слева от процессора расположились два чипа ОЗУ типа SDRAM, в сумме образующие 64Мб, а чуть ниже распаяна NAND-флэшка от компании Samsung на 2Гб. Справа снизу «спрятался» чип часов реального времени — с которого при желании можно было бы взять шину I2C!

Я не зря назвал процессоры от Ingenic легендарными. Дело в том что именно JZ'шки использовались во многих легендарных портативных гаджетах нулевых годов. Например, JZ4732 использовался в популярной эмуляторной игровой консоли Dingoo A320, а JZ4725 использовался в журнале Vogue с экранчиком и OpenHardware-ноутбуке Ben NanoNote. Ingenic славились своей открытостью к сообществу моддеров и свободно предоставляла исходный код ядра Linux, BSP для Windows CE и даже код своей проприетарной прошивки для MP4-плееров!

Далее я решил подпаяться к UART'у, дабы почитать что у нас туда пишет система. Вне зависимости от чипсета или устройства, довольно часто на UART летят логи загрузчика и ядра, а иногда на нём можно найти и рутовую консоль. Благодаря такому «бэкдору» можно попытаться хакнуть самые разные устройства: например, тонкие клиенты на процессорах Marvell или незамысловатый ТВ-бокс. В качестве USB-UART преобразователя я использую плату с ESP32 с постоянным RESET'ом на микроконтроллере (дабы не вмешивался в работу шины):

❯ Хакаем

Далее я включил ноутбук, настроил Putty на свой COM-порт с бодрейтом 115200 и увидел логи. Выяснилось что в качестве загрузчика используется всеми любимый U-Boot (в котором нельзя прервать процесс загрузки), а в качестве ядра — Linux версии аж 2.6! И конечно же на этом терминале висела полноценная рут-консоль!

Далее я сразу решил проверить с какой системой мне придется иметь дело: заглянул в top, обнаружив что используется оболочка Qtopia (формальная альтернатива Xorg и DirectFB для КПК на Linux), пошерстил по папкам с бинарниками и посмотрел inittab. Наша задача — заставить ноутбук запускаться с текстовым терминалом на дисплее, а Qtopia запускать уже по желанию.

Сначала я закомментировал запуск Qtopia в скрипте автозагрузки - inittab'е. Однако если просто «прибить» оболочку — после включения ноутбука нас будет встречать пустой экран без какого либо взаимодействия. Поскольку у меня не было возможности изменить cmdline ядра и перенаправить консоль на терминал fbcon, я решил это сделать уже в юзерспейсе с помощью системного вызова TIOCCONS, однако он по каким-то причинам выдавал ошибку. Тогда пришлось немного костылить и дублировать терминал с помощью getty:

После этого у меня начал нормально работать терминал! Правда, без скроллинга... пока не знаю почему. Теперь, когда у нас есть рутовая консоль и полноценный busybox, можно немного поэкспериментировать!

❯ Портируем эмуляторы

Далее я решил попробовать портировать эмуляторы с родственной данному ноутбуку Dingoo A320. В родной системе почти никакие эмуляторы не работали даже после подкидывания всех необходимых библиотек (в том числе и uclibc с SDL), однако после chroot'а в систему от Dingoo A320 у меня запустились часть эмуляторов. Однако в этом ноутбуке используется оригинальный непропатченный кривой драйвер фреймбуфера, который постоянно сыпет ошибками и не умеет работать в виртуальном разрешении. Из-за этого, часть эмуляторов выглядело... примерно вот так:

А часть вот так:

И я понял что без патчей в исходном коде не обойтись. Для сборки программ под старые Linux-машины, кросс-компилятор из репозиториев свежих дистрибутивов не подойдет — слишком новая версия glibc. Более того, некоторые устройства могут использовать uclibc вместо glibc, как, например, та же самая динга. Поэтому может потребоваться установка уже готового тулчейна — благо для динги он сохранился в сети. Распаковываем архив в /opt/, добавляем в переменную PATH путь к папке bin/ и пробуем собирать тестовую программу. Всё работает!

Далее предстояло найти исходный код эмуляторов для динги. Часть из них можно найти на гите (в качестве портов на GCW-Zero), часть — на сайте OpenHandhelds. Первым дело я решил портировать эмулятор GameBoy Color. Поскольку эмулятор работает поверх библиотеки SDL, в первую очередь я изменил видеорежим с 240x320 на 800x480...

И ожидаемо ничего не получил, никто растягивать картинку за меня не будет! Поэтому я сначала написал простейшую функцию скейлинга картинки на флоатах с заранее посчитанным шагом интерполяции, затем оптимизировал её до fixed-point арифметики, а после и вовсе решил «запечь» координаты для сэмплинга в один большой массив.

Крайний вариант был самым быстрым, однако в нативном разрешении ноутбука я получил примерно 50%-скорости от реальной консоли — т. е., по сути, не играбельно. При этом в видеорежиме 240x320 всё работало нормально и упор был явно не в скорость растягивания картинки... по каким-то причинам либо блиттер SDL работал слишком медленно, либо драйвер фреймбуфера спотыкался об преобразование форматов пикселя из-за чего всё и тормозило.

Далее я решил попробовать запустить другие эмуляторы. NES, Sega Master System и другие консоли работали отлично... пока я не устанавливал разрешение выше 240x320. Ради интереса, я запустил оболочку для Linux-консолей gmenu2x с Ben NanoNote, которая вместо SDL использует DirectFB и получил вот такую картину. Epic fail...

После этого я решил попробовать накатить всем известный Debian. В отличии от эмуляторов, здесь пересобирать ничего не нужно: достаточно лишь собрать rootfs с необходимыми пакетами, отформатировать SD-карточку и chroot'унутся в систему. Для сборки можно использовать две утилиты — debootstrap и multistrap:

Сначала я хотел накатить что-то относительно современное по типу Debian Buster или Jessie, однако вскоре выяснилось, что ядро 2.6 эти версии системы не поддерживают...

Оказалось что последней версией Debian, поддерживающей ядро 2.6, был Squeeze вышедший в далёком 2011 году. После сборки и копирования рутфс, необходимо было выполнить вторую стадию установки системы, а именно фактическую распаковку и установку пакетов:

Далее мне удалось подкинуть некоторые пакеты и даже попытаться запустить иксы (на 64Мб ОЗУ!)... но затем я погряз в зависимостях и всё таки решил попытаться подкинуть сеть. Выяснилось что в ядре есть поддержка встроенного в чипсет Ethernet-контроллера, однако PHY на плате то не распаян!

❯ Заключение

Вот такая статья о попытке превратить китайский бюджетный MIPS-ноутбук в портативную игровую консоль у нас с вами получилось. И хотя в определенном смысле мне удалось добиться успехов — выйти в рутовую консоль, накатить Debian и запустить эмуляторы в половинном разрешении, всё равно это всё таки больше Epic fail... Но по крайней мере, эти бессонные ночи были очень веселыми!

А вам надеюсь было интересно почитать мой опыт моддинга такого замечательного девайса. Пишите своё мнение в комментариях! Если вам интересна тематика ремонта, моддинга и программирования для гаджетов прошлых лет, подписывайтесь на мой Telegram-канал «Клуб фанатов балдежа», куда я публикую бэкстейджи статей, иногда полезные посты ну и немножечко щитпоста! Если вам интересны мои видео той же тематики — предлагаю подписаться на мой YouTube-канал.

Очень важно! Разыскиваются девайсы для будущих статей!

Друзья! Для подготовки статей 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 и хочу заняться и 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 Motorola на Linux (например, 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!

А ещё я держу все свои мобилы в одной корзине при себе (в смысле, все проекты у одного облачного провайдера) — Timeweb. Потому нагло рекомендую то, чем пользуюсь сам — вэлкам: