Raspberry Pi 4のUART出力のデバッグ

やること

現状の整理

QEMUでRPi4の環境構築

UART初期化処理の追加

実機検証

現状の整理

使用しているのはPL011

U-Bootやファームウェアの出力があるためUART出力自体は出来ている

U-Bootへの戻り値でどこまで到達したか検証が出来るという仕組みになっていて、DTBを読んでシリアルデバイスを見つけるところまで到達したところまでは到達していることが分かっている

つまりデバイスのアドレスに書き込んでも文字が出ないという状態

デバイスの初期化をしていないのが原因の可能性

QEMUでRPi4の環境構築

RPi4上の環境をQEMUで再現するようにしたい

virt向けでも動作検証ができるようにビルドの設定で変えられるようにしたい

変えられるようにしたけれど、引数で4とエラーが出てU-Bootに戻った

普通に引数の値を戻すとLinuxのブートまで行ってしまったが、ビルドのスクリプトの方を変えていないのかな

BuildじゃなくてRunの方で、QEMUでRPi4のマシンをエミュレートする方のRunスクリプトを作る必要がある

現在インストールされているのだとRPi4をQEMUがサポートしてないのでビルドをする

Runコマンド

% cargo run --config 'target.aarch64-unknown-none-softfloat.runner="tools/run_qemu_rpi4.sh"'

U-Bootのプロンプトでコマンドを打ち込むと失敗する

code:_

U-Boot> if fatload mmc 0:1 $kernel_addr_r min1.elf; then

bootelf $kernel_addr_r

else

echo "Unable to read min1.elf"

fi

Card did not respond to voltage select! : -110

** Bad device specification mmc 0 **

Couldn't find partition mmc 0:1

Can't set block device

Unable to read min1.elf

パーテイションが1だったので以下のようにする

code:_

setenv autostart yes

if fatload mmc 1:1 $kernel_addr_r min1.elf; then

bootelf $kernel_addr_r

else

echo "Unable to read min1.elf"

fi

ファイルが増えたので適切にignoreしてコミットしてもらう

QEMUのRPi4では標準出力が無事出力されることが判明した

code:_

U-Boot> go 0x40417918 "0x3bb206f0"

あとは起動スクリプトを打ち込むのが面倒なので自動化したい

QEMUとRPi4のアドレスの違いを見た方が良いですね

QEMUのU-Bootだとこうなる

code:_

=> echo $kernel_addr_r

0x40400000

RPi4だとこう

code:_

U-Boot> echo $kernel_addr_r

0x00080000

リンカスクリプトはこれに対応して書き直した

boot.txtのbootelfがどうもうまく行かないのでちょっとしたシェル芸をしてgoコマンドにelfのエントリポイントを埋め込みます

起動は安定して成功するようになった

code:_

U-Boot 2026.07-rc3-00014-g30b77f6aa146 (May 31 2026 - 11:15:28 +0900)

DRAM: 960 MiB

RPI 4 Model B (0xb03115)

Core: 212 devices, 14 uclasses, devicetree: board

MMC: mmcnr@7e300000: 1, mmc@7e340000: 0

Loading Environment from FAT... Card did not respond to voltage select! : -110

** Bad device specification mmc 0 **

In: serial,usbkbd

Out: serial,vidconsole

Err: serial,vidconsole

Net: No ethernet found.

starting USB...

No USB controllers found

scanning usb for storage devices... 0 Storage Device(s) found

Hit any key to stop autoboot: 0

Card did not respond to voltage select! : -110

Cannot persist EFI variables without system partition

Missing RNG device for EFI_RNG_PROTOCOL

** Booting bootflow '<NULL>' with efi_mgr

Loading Boot0000 'mmc 1' failed

EFI boot manager: Cannot load any image

Boot failed (err=-14)

** Booting bootflow 'mmcnr@7e300000.bootdev.part_1' with script

163784 bytes read in 92 ms (1.7 MiB/s)

次に、これで実装は問題ないことが確認できたはずなので、実機で動かしたら、やはりUART出力が出なかった

確認したこと

PL011がDTBで見つかっているところまで到達していることを戻り値で確認

怪しいのはスタックポインタの設定と、PL011の初期化

実機で動かしているコードと出力

code:rs

pub extern "C" fn main(argc: usize, argv: *const *const u8) -> usize {

let stack_pointer = crate::arch::aarch64::get_stack_pointer() as usize;

if argc != ARGC {

return 1;

}

let args = unsafe { slice::from_raw_parts(argv, argc) };

return 2;

};

let Some(dtb_address) = str_to_usize(dtb_addr_str) else {

return 3;

};

let Ok(dtb) = dtb::Dtb::new(dtb_address) else {

return 4;

};

if let Err(e) = init_pl011_serial_port(&dtb) {

return e;

};

return 8;

code:_

** Booting bootflow 'mmc@7e340000.bootdev.part_1' with script

38472 bytes read in 25 ms (1.5 MiB/s)

Boot failed (err=-14)

戻り値の8は自分の書いたコード由来なのは値や引数の数を変えて確認済み

err=-14はQEMUで失敗したときもそう出る

スタックポインタは戻り値が意図した値の時点で問題なさそう（それまでにDTB解析など何個も関数呼び出しがあるので）

ベースアドレスはしっかり取れている

code:_

Boot failed (err=-14)

putcの検証

code:rs

use crate::serial::SerialDevice;

let r = PL011_DEVICE.lock().putc(b'H');

return if r.is_ok() { 0x10 } else { 0x20 };

見落としじゃなければ何も出ていないが、戻り値としては成功している

code:_

** Booting bootflow 'mmc@7e340000.bootdev.part_1' with script

38472 bytes read in 25 ms (1.5 MiB/s)

BCM2711 の PL011 は 32-bit アクセスが必要か？いまドライバを16bitで書いていたのだが移植でどうしても出力されなくてこれを疑っている

32bitアクセスにして、QEMUで動作は確認したが、実機ではまだ出ない

クロックレート取得

code:QEMU

** Booting bootflow 'mmcnr@7e300000.bootdev.part_1' with script

38576 bytes read in 48 ms (784.2 KiB/s)

Boot failed (err=-14)

code:RPi4

** Booting bootflow 'mmc@7e340000.bootdev.part_1' with script

38576 bytes read in 25 ms (1.5 MiB/s)

Boot failed (err=-14)

config.txtを見ると、dtoverlay=disable-btが重複しているが、これが問題をきたす可能性は低いと考えられる

UARTのibrdとfbrdの設定を間違えている可能性はあって、115200に合わせる場合はどうするんでしたっけ？

これまで、ibrd/fbrdが、3/0xbに設定されていて（RPi4のQEMUが3MHzだからかな、にしても逆だけど）、これに対しては出るはずがないと言えるのかな

https://gyazo.com/0c66959b78a74baf7f0b29792dcba33c

おお

なんかpanicしているけど遂に自分の書いたプログラムの文字が出たぞ

mailboxは値を正しく取れていないので一旦無効にしておこう

あとは問題の切り分けをする

U-BootでGPIOとボーレートの二つを見てどちらが問題なのか判断する

まずはPL011のコントロールレジスタ

code:_

U-Boot> md.l fe201024 4

fe201024: 0000001a 00000003 00000070 00000301 ........p.......

// IBRD: 0x1a

// FBRD: 0x3

// LCR_H: 0x70

// CR: 0x301

GPIO

code:_

U-Boot> md.l fe200004 1

fe200004: 00012000

// 0x00012000 = 0b1_0010_0000_0000_0000

// GPIO14: 100

// GPIO15: 100

どっちも合っていてよく分からん

実はGPIOが間違え

片方ずつ該当コードを消して検証

1. baudrateのレジスタ（BRD）書き込みを消す

問題なく起動

2. GPIOの再設定を消す

文字が出なくなった！

これが原因かー

ところで何が起こっているのだろう？

code:_

// 01_0010_0000_0000_0000

// ^^ ^^^^

// 010, 010

// U-BootではGPIO14,15はALT5に接続

合ってると思いながら一応手動で設定してたところが実は前後で異なっていた

code:_

U-Boot> fdt print /chosen

chosen {

/* snip */

stdout-path = "serial0:115200n8";

U-Boot> fdt print /aliases

aliases {

serial0 = "/soc/serial@7e215040";

serial1 = "/soc/serial@7e201000";