UART シリアルポートを使ってデバッグ環境を構築し、VGA とシリアルの二重出力システムを実装する。
VGA は「見える出力」ですが、デバッグには「見えない出力経路」が不可欠です。シリアル（UART）は inb/outb によるポート I/O の入門であり、同時に Linux の kernel console や組込みログ出力の原型です。この日で確立したシリアルログは、以降の割り込み・スケジューラの観察に直接使える強力な道具になります。
Day3 で C 言語移行を達成したが、デバッグ手段が VGA 画面だけでは限界がある。本日はシリアルポートを活用して、ログ保存や継続出力が可能になるデバッグインフラを構築し、より効率的な OS 開発環境を整える。
- I/O ポート (inb, outb): メモリ空間とは別のアドレス空間（I/O 空間）を使ってハードウェアと通信する仕組み。inb 命令でポートからデータ読み込み、outb で書き込み。ハードウェア制御の基本的な方法。
- インラインアセンブリ: C コード内に直接 x86 アセンブリを記述する GCC の機能。ハードウェアアクセスに必須。
- インラインアセンブリ基礎: C コード内での x86 アセンブリ記述
- I/O ポートアクセス:
in/out命令を C 関数でラップ - UART プログラミング: 8250/16550 系 COM1（0x3F8）制御
- ハードウェア初期化: ボーレート、フレーミング、FIFO 設定
- ポーリング方式: LSR レジスタによる送信準備完了待ち
- デバッグインフラ: VGA + シリアルの並行出力システム
【メモ】送信レジスタ空き待ち（LSR 0x20）
- UART の Line Status Register の 0x20 ビットが 1 なら送信レジスタが空き、1 文字書けます。
while(!(inb(COM1+5) & 0x20)) {}の待機はこの確認をしています。
- io.h ヘッダーファイルを作成し、inb/outb 関数をインラインアセンブリで実装する
- UART のレジスタを理解し、COM1 ポートの初期化を行う
- kernel.c でシリアル出力関数を実装し、ポーリング方式でデータを送信する
- VGA とシリアルの並行出力システムを構築する
- QEMU で-serial オプションを使ってシリアル出力を確認する
- デバッグインフラとして二重出力環境を完成させる
- Day 01〜02: ブート、GDT、プロテクトモード切り替え
- Day 03: freestanding C、VGA 制御、C + アセンブリ連携
- C 言語: 基本的な構文、関数、ヘッダファイル
- ハードウェア概念: I/O ポート、レジスタ、ポーリング
- インラインアセンブリ: C コード内での x86 命令記述
- 制約記述: GCC のアセンブリ制約の書き方（
"=a","Nd"など） - I/O ポート: メモリマップと異なるアドレッシング方式
- UART プロトコル: シリアル通信の基礎（ボーレート、フレーミング）
├── boot
│ ├── boot.s # 16bit: A20, GDT（同ファイル内定義）, INT 13h で kernel 読込, PE 切替
│ └── kernel_entry.s # 32bit: セグメント/スタック設定 → kmain()
├── boot.s # （補助・比較用の単体版がある場合）
├── io.h # inb/outb/io_wait（Cインラインasm）
├── kernel.c # VGA と COM1 をCで初期化・出力
├── Makefile # boot と kernel を連結して os.img を生成
├── README.md # このファイル
└── vga.h # VGA API（C）
完成版は day04_completed/ を参照してください。day04_completed ではカーネルは kernel.c をビルドする形式です。
なぜインラインアセンブリが必要なのか:
OS 開発では、ハードウェアを直接制御する必要がありますが、C 言語だけではできない操作があります：
- I/O ポートへの読み書き（
in/out命令） - CPU レジスタの直接操作
- 特殊なメモリアクセス
インラインアセンブリを使うことで、C コード内でこれらの低レベル操作を実現できます。
インラインアセンブリとは、C コード内に直接 x86 アセンブリを記述する GCC の機能です。freestanding C 環境では、ハードウェアアクセスに必須の技術です。
__asm__("命令" : 出力制約 : 入力制約 : 変更レジスタ);"=a": 出力を EAX レジスタに格納"a": 入力を EAX レジスタから取得"Nd": 入力を EDX レジスタまたは即値として使用%%al: レジスタ名をエスケープ（% → %%）
// io.h — freestanding C 用 I/O ポートヘルパ
#pragma once
#include <stdint.h>
// I/O ポートから 1 バイト読み取り
static inline uint8_t inb(uint16_t port) {
uint8_t value;
__asm__ volatile ("inb %1, %0" : "=a"(value) : "Nd"(port));
return value;
}
// I/O ポートに 1 バイト書き込み
static inline void outb(uint16_t port, uint8_t value) {
__asm__ volatile ("outb %0, %1" : : "a"(value), "Nd"(port));
}
// I/O 遅延（古い PC との互換性確保）
static inline void io_wait(void) {
__asm__ volatile ("outb %%al, $0x80" : : "a"(0));
}重要な点:
volatile: コンパイラ最適化を防ぐ（I/O は副作用があるため）static inline: ヘッダファイル内関数の重複定義を避ける- 制約
"Nd": ポート番号を EDX または即値で指定
#include <stdint.h>
#include "io.h"
#include "vga.h"
#define COM1 0x3F8
static void serial_init(void){
outb(COM1+1, 0x00); // IER=0（割り込み無効）
outb(COM1+3, 0x80); // LCR: DLAB=1
outb(COM1+0, 0x03); // DLL=3（115200/38400）
outb(COM1+1, 0x00); // DLM=0
outb(COM1+3, 0x03); // LCR: 8N1, DLAB=0
outb(COM1+2, 0xC7); // FCR: FIFO有効/クリア/14B閾値
outb(COM1+4, 0x0B); // MCR: RTS/DTR/OUT2
}
static void serial_putc(char c){
while(!(inb(COM1+5) & 0x20)){} // LSR bit5 (THR empty)
outb(COM1+0, (uint8_t)c);
}
static void serial_puts(const char* s){
while(*s){
if(*s=='\n') serial_putc('\r');
serial_putc(*s++);
}
}
void kmain(void){
vga_init();
vga_puts("Day 05: Serial debug (C)\n");
serial_init();
serial_puts("COM1: Hello from C!\\r\\n");
}実装のポイント:
- ポーリング方式: LSR の THR Empty ビット監視
- CRLF 変換: Unix の
- 型安全性:
charをuint8_tにキャストしてポート出力
| オフセット | レジスタ | 説明 |
|---|---|---|
| COM1+0 | THR/RBR/DLL | 送信/受信バッファ、DLAB 時は分周器下位 |
| COM1+1 | IER/DLM | 割り込み許可、DLAB 時は分周器上位 |
| COM1+2 | FCR/IIR | FIFO 制御/割り込み識別 |
| COM1+3 | LCR | 回線制御（データ長、パリティ、DLAB） |
| COM1+4 | MCR | モデム制御（RTS、DTR、OUT） |
| COM1+5 | LSR | 回線状態（送受信準備、エラー） |
- 割り込み無効化: OS がまだ割り込みハンドラを用意していない
- DLAB 設定: 分周器レジスタアクセスモードに切り替え
- ボーレート設定: 38400bps = 115200 ÷ 3
- フレーミング設定: 8 ビットデータ、パリティなし、1 ストップビット
- FIFO 有効化: バッファリングで効率向上
- モデム制御: ハンドシェイク信号の基本設定
| 方式 | アクセス方法 | 例 | 特徴 |
|---|---|---|---|
| I/O ポート | in/out 命令 |
UART, PIC, PIT | 専用アドレス空間、高速 |
| メモリマップ | 通常のメモリ読み書き | VGA (0xB8000) | メモリ空間の一部使用 |
Day 03 で確立したアーキテクチャを継続します：
- カーネル読み込み:
INT 13hで第 2 セクタから0x00100000へ - プロテクトモード:
CR0.PE=1→jmp 0x08:kernel_entry（dwordなし）
- セグメント設定: DS/ES/FS/GS/SS を
0x10に設定 - スタック初期化:
ESPを適切な位置に設定 - C 関数呼び出し:
extern kmainをcallで実行
Day 03 と同様の C コンパイルに対応：
OBJECTS = boot/boot.o boot/kernel_entry.o kernel.o
TARGET = os.img
$(TARGET): $(OBJECTS)
ld -T linker.ld -o kernel.elf $(OBJECTS)
objcopy -O binary kernel.elf kernel.bin
cat boot.bin kernel.bin > $(TARGET)
kernel.o: kernel.c io.h vga.h
i686-elf-gcc -ffreestanding -c kernel.c -o kernel.ocd day04
make clean
make all
make run # -serial stdio で端末にシリアル出力期待される動作:
- 画面(VGA)に「Day 05: Serial debug (C)」
- ターミナル(シリアル)に「COM1: Hello from C!」
COM1+0 (THR/DLL)送信ホールド/DLAB 時は分周下位COM1+1 (IER/DLM)割り込み許可/DLAB 時は分周上位COM1+2 (FCR)FIFO 制御（enable/clear/threshold）COM1+3 (LCR)データ長/ストップ/パリティ/DLABCOM1+4 (MCR)RTS/DTR/OUT/ループバックCOM1+5 (LSR)送受信状態（bit5: THR empty）
- シリアル出力が表示されない
-serial stdioを付けて起動しているか- LSR bit5 を待ってから送信しているか
- QEMU が COM1 を有効化しているか（既定で有効）
- 文字化け
- 分周比（DLL/DLM）が正しいか（38400→3）
- 8N1 設定（LCR=0x03）か
- 画面が真っ黒
- GDT セレクタ（CS=0x08, DS=0x10）と far jump の順序
__asm__ volatile ("inb %1, %0" : "=a"(value) : "Nd"(port))の各部分の意味は？- なぜ I/O 操作に
volatileを付ける必要があるのか？ - GCC 制約
"=a"と"Nd"の違いを説明できる？
- なぜ LSR bit5（THR empty）を待つ必要があるのか？
- 回答: 送信バッファが空になってから次のデータを送信しないと、データが上書きされて失われる
- DLAB ビットを立てる/下ろすタイミングの意味は？
- 回答: DLAB=1 で分周器設定モード、DLAB=0 で通常の送受信モードに切り替える
- VGA とシリアルの違い（メモリマップ vs I/O ポート）を説明できる？
- 回答: VGA は 0xB8000 番地にメモリアクセス、シリアルは 0x3F8 ポートに
in/out命令
- 回答: VGA は 0xB8000 番地にメモリアクセス、シリアルは 0x3F8 ポートに
- ✅ UART 初期化と送信
- ✅ I/O ポートアクセスの基礎
- ✅ 二重デバッグ（VGA+シリアル）
次は割り込み（IDT）やタイマ（PIT）を使い、非同期イベントの扱いを学びます。