ikOS — um kernel cooperativo rodando num AVR de verdade

Essa semana eu finalmente coloquei o ikOS pra rodar estável numa ATmega32 de verdade, não só no simulador. O ikOS é um kernel cooperativo bem pequeno que eu escrevi na linguagem ik, pra microcontrolador AVR de 8 bits. Pra mim é um marco: é a peça que faltava em cima de tudo que venho construindo há um bom tempo, a máquina virtual, a linguagem, o compilador e a IDE. No vídeo aqui embaixo eu conto essa história toda; neste texto eu queria falar do que deu trabalho nesta semana.

Também dublado em inglês e espanhol.

Primeiro, o que é o ikOS: um kernel que cabe em 32 KB. Cada processo tem a sua própria pilha e roda até resolver ceder a CPU, com yield, sleep ou exit; o escalonador fica alternando entre os processos prontos, salvando e restaurando o contexto de cada um. Em cima disso tem um shell que você acessa pela serial, um sistema de arquivos na EEPROM e uma pequena linguagem de script. O mascote é uma formiga, a Iki. Formiga é pequena e só dá conta das coisas trabalhando junto, que é mais ou menos a ideia do escalonamento cooperativo.

O shell do ikOS respondendo pela serial, no monitor da ikide.

O que mais me penou foi fazer ele rodar no hardware. No simulador funcionava redondo, mas na placa de verdade ele resetava num loop sem fim, reimprimindo o banner de boot pra sempre. Em vez de ficar tentando no escuro, resolvi melhorar o próprio simulador até ele se comportar igual ao chip real, e aí caçar o bug ali dentro, que é bem mais rápido do que regravar a placa toda hora.

No fim eram três bugs, e os três só apareciam no hardware. O pior estava na troca de contexto. O simulador tratava o contador de programa em bytes, então o código montava o endereço de retorno em bytes também; só que o RET do AVR de verdade espera um endereço em palavras, então a troca pulava pro dobro do endereço e ia parar no meio do nada. Tinha também a ordem dos bytes: o AVR guarda o byte mais alto no endereço mais baixo da pilha, o contrário do que o simulador fazia. O segundo bug era o watchdog, que eu simplesmente não tinha tratado. Em placas que dão boot por reset de watchdog fica um bit ligado, o WDRF, que força o watchdog a continuar ativo, então o "desliga" normal não fazia nada; tive que limpar esse bit antes. O terceiro era meio bobo: uns registradores de 8 bits estavam declarados como 16 bits na biblioteca, e a escrita de 16 bits acabava zerando o registrador vizinho, o SPL, o que corrompia a pilha e reiniciava o chip.

Pra esse kernel existir, o compilador precisou dar uma ajuda. A principal foi uma instrução nova, a @swtch, que salva os registradores e o ponteiro de pilha e troca de uma pilha pra outra, uma coisa que não dá pra escrever só em ik. Também tive que enxugar o tamanho do código, porque o kernel estava encostando no teto dos 32 KB; com algumas otimizações no compilador deu pra recuperar quase 900 bytes sem cortar nenhuma funcionalidade. E os testes passaram a rodar dentro da própria IDE, automaticamente.

O ikOS no editor da ikide, com o simulador rodando à direita.

O que me deixa contente no fim é simples: o ikOS roda igual na placa e no simulador. E ele só roda igual porque o simulador ficou fiel ao chip de verdade. Tá marcado como v0.1.0, com o codinome "Sauva".