搭建qemu RISC-V運(yùn)行Linux環(huán)境

1.本文概述

2.工具介紹

2.1 riscv-gnu-toolchain

2.2 spike

2.3 RISC-V Porxy Kernel

2.4 編譯工具

3.編譯Linux Kernel

4.編譯busybox

5.制作根文件系統(tǒng)

6.編譯安裝qemu

7.啟動(dòng)基本Linux程序

8.運(yùn)行發(fā)行版本OS（fedora&ubuntu）

8.1 下載安裝fedora鏡像

8.2 下載安裝ubuntu鏡像

9.總結(jié)

1.本文概述目前雖然RISC-V的硬件開(kāi)發(fā)板能夠運(yùn)行Linux的十分難得，從探索RISCV的生態(tài)的角度上來(lái)看，使用模擬器也是一種非常好的方式。使用QEMU能夠很好的模擬RISCV的硬件資源，后期有實(shí)際的開(kāi)發(fā)板后將其軟件生態(tài)移植上去也并不復(fù)雜。

本文將演示QEMU上建立RISCV的環(huán)境，以及如何交叉編譯Linux，通過(guò)文章的描述，可以掌握RISC-V上的Linux的編譯開(kāi)發(fā)流程，文章也展示了在riscv64架構(gòu)上運(yùn)行fedora和ubuntu兩個(gè)Linux發(fā)行版本的過(guò)程。

2.工具介紹在進(jìn)行環(huán)境搭建之前，首先先來(lái)介紹一些目前開(kāi)源的比較熱門(mén)的RISCV工具項(xiàng)目。

2.1 riscv-gnu-toolchain

RISCV的GNU工具鏈，是編譯RISC-V程序的交叉編譯工具鏈。

https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain

主要有兩個(gè)版本：

riscv64--unknown--elf-gcc是使用newlib，主要用于靜態(tài)編譯的獨(dú)立的程序或者單機(jī)嵌入式程序，RTOS等等。

riscv64-unknown--linux--gnu--gcc使用的glibc，可以編譯動(dòng)態(tài)鏈接程序，例如大型操作系統(tǒng)如Linux等等。

如果編譯選項(xiàng)加上-nostartfiles -nostdlib -nostdinc，兩個(gè)編譯版本一致

2.2 spike

spike是一個(gè)開(kāi)源的RISC-V的指令模擬器，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)和多個(gè)RISC-V harts的功能，提供了豐富的系統(tǒng)仿真，其名稱來(lái)自于Golden Spike，是第一條橫貫美國(guó)大陸的鐵路。

https://github.com/riscv/riscv-isa-sim

在RISC-V架構(gòu)指令集擴(kuò)展層面有著非常好的實(shí)現(xiàn)。

2.3 RISC-V Porxy Kernel

RISC-V Proxy Kernel and Boot Loader，簡(jiǎn)稱RISCV-PK，是一個(gè)輕量級(jí)的應(yīng)用程序的可執(zhí)行環(huán)境，可以加載靜態(tài)的RISCV ELF的可執(zhí)行文件。主要兩個(gè)功能，代理和引導(dǎo)啟動(dòng)，可以作為引導(dǎo)啟動(dòng)RISC-V的Linux的環(huán)境。

https://github.com/riscv/riscv-pk

2.4 編譯工具

如果要一次性部署這些工具，可以通過(guò)下面的倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行操作

https://github.com/riscv/riscv-tools

在此之前，首先安裝必要的程序，本次使用的環(huán)境為Ubuntu20.04。

sudo apt install autoconf automake autotools-dev curl libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev libusb-1.0-0-dev gawk build-essential bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc zlib1g-dev device-tree-compiler pkg-config libexpat-dev libncurses5-dev libncursesw5-dev

當(dāng)安裝好必要的程序后，可以clone倉(cāng)庫(kù)。

git clone https://github.com/riscv/riscv-tools.git

git submodule update --init --recursive

export RISCV=~/riscv

。/build.sh

可能會(huì)遇到如下的錯(cuò)誤：

要解決這個(gè)問(wèn)題，首先需要安裝下載riscv64的交叉編譯工具鏈。

git clone https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain

。/configure --prefix=$RISCV

其中配置項(xiàng)目--enable-multilib表示編譯32bit和64bit的gcc，支持，這里不選擇，只編譯32bit的交叉編譯工具鏈。

經(jīng)過(guò)測(cè)試最高版本的gcc交叉編譯工具鏈，編譯riscv-tools會(huì)出現(xiàn)異常，所以替換成低一點(diǎn)的版本。

riscv-gnu-toolchain/riscv-gcc

git checkout riscv-gcc-8.2.0

緊接著開(kāi)始編譯

make -j $（nproc）

表示編譯baremate版本的嵌入式交叉編譯環(huán)境。

make -j $（nproc） linux

編譯Linux版本的交叉編譯環(huán)境。

編譯完成后，可以看到編譯好的程序。

ls ~/riscv/bin

然后，返回去編譯riscv-tools。

最后導(dǎo)出環(huán)境變量

export PATH=/home/bigmagic/riscv/bin：$PATH

3.編譯Linux Kernel在編譯Linux Kernel之前，需要安裝相關(guān)的工具。

sudo apt install libncurses5-dev libncursesw5-dev

下載編譯Linux Kernel

git clone https://github.com/torvalds/linux.git

cd linux

git checkout v5.10

make ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-unknown-linux-gnu- defconfig

make ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-unknown-linux-gnu- -j $（nproc）

編譯完成后，最后生成的Kernel文件在linux/arch/riscv/boot/Image。

4.編譯busybox可以用busybox制作生成根文件系統(tǒng)，同時(shí)也提供了Linux下運(yùn)行的一些基本程序與控制臺(tái)。

git clone https://git.busybox.net/busybox

cd busybox

git checkout 1_32_1

CROSS_COMPILE=riscv64-unknown-linux-gnu- make defconfig

CROSS_COMPILE=riscv64-unknown-linux-gnu- make menuconfig

需要選擇靜態(tài)link。

選擇靜態(tài)link

然后開(kāi)始編譯

CROSS_COMPILE=riscv64-unknown-linux-gnu- make -j $（nproc）

5.制作根文件系統(tǒng)下面來(lái)制作一個(gè)空的磁盤(pán)，格式為ext2的文件系統(tǒng)。

dd if=/dev/zero of=root.bin bs=1M count=64

mkfs.ext2 -F root.bin

這樣就制作了一個(gè)空的，名稱為root.bin文件格式為ext2的文件系統(tǒng)。

接著只需要將busybox的程序加載進(jìn)去即可。

mkdir mnt

sudo mount -o loop root.bin mnt

cd mnt

sudo mkdir -p bin etc dev lib proc sbin tmp usr usr/bin usr/lib usr/sbin

sudo cp ~/busybox/busybox bin

sudo ln -s 。./bin/busybox sbin/init

sudo ln -s 。./bin/busybox bin/sh

cd 。.

sudo umount mnt

制作好的根文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)如下：

如果要?jiǎng)?chuàng)建更加功能完善的Linux的根文件系統(tǒng)，這里可以采用buildroot或者Yocto來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建。

6.編譯安裝qemu可以直接安裝

sudo apt install qemu-system-misc

或者自己編譯

編譯之前需要安裝如下的庫(kù)：

sudo apt-get install -y git build-essential pkg-config zlib1g-dev libglib2.0-0 libglib2.0-dev libsdl1.2-dev libpixman-1-dev libfdt-dev autoconf automake libtool librbd-dev libaio-dev flex bison make

因?yàn)橐\(yùn)行qemu

git clone git@github.com:qemu/qemu.git

cd qemu

git checkout v6.0.0

mkdir build

cd build

。./configure --prefix=/home/bigmagic/riscv/qemu --target-list=riscv32-

softmmu，riscv64-softmmu --enable-debug-tcg --enable-debug --enable-debug-info && make -j8 && make install

其中--prefix=后面的路徑是需要填寫(xiě)自己的路徑。

最后添加環(huán)境變量到自己的路徑。

export PATH=/home/bigmagic/riscv/qemu/bin/：$PATH

7.啟動(dòng)基本Linux程序事先準(zhǔn)備好編譯完成的root.bin程序以及Linux的Image

qemu-system-riscv64 -nographic -machine virt -kernel linux/arch/riscv/boot/Image -append “root=/dev/vda rw console=ttyS0” -drive file=rootfs/root.bin，format=raw，id=hd0 -device virtio-blk-device，drive=hd0

此時(shí)可以看到Linux正常的啟動(dòng)。

第一階段是OpenSBI，后面一個(gè)階段才是

Linux啟動(dòng)后，無(wú)法正常輸入命令，需要輸入

/bin/busybox --install -s

可以看到RISCV64 的 Linux正常的運(yùn)行起來(lái)了。

8.運(yùn)行發(fā)行版本OS（fedora&ubuntu）根據(jù)之前的描述，如果在buildroot中選擇了qemu_riscv64_virt_defconfig，那么最后生成的可執(zhí)行腳本如下

qemu-system-riscv64 -nographic -machine virt -kernel output/images/Image

-append “root=/dev/vda rw console=ttyS0”

-drive file=output/images/rootfs.ext2，format=raw，id=hd0

-device virtio-blk-device，drive=hd0

上述的腳本可以作為基本的參考。如果要運(yùn)行fedora，那么可以按照下面的流程進(jìn)行。

首先安裝virt-builder，可以快速構(gòu)建虛擬機(jī)環(huán)境。

sudo apt install libguestfs-tools

接下來(lái)可以添加fedora的倉(cāng)庫(kù)。

mkdir -p ~/.config/virt-builder/repos.d/

cat 《《EOF 》 ~/.config/virt-builder/repos.d/fedora-riscv.conf

［fedora-riscv］

uri=https://dl.fedoraproject.org/pub/alt/risc-v/repo/virt-builder-images/images/index

EOF

通過(guò)列出riscv64支持的發(fā)行版鏡像

8.1 下載安裝fedora鏡像

下載fedora鏡像，所有的鏡像可以在下列的網(wǎng)站中找到

https://dl.fedoraproject.org/pub/alt/risc-v/repo/virt-builder-images/images/

此時(shí)構(gòu)建一個(gè)20200108版本的鏡像。

wget https://dl.fedoraproject.org/pub/alt/risc-v/repo/virt-builder-images/images/Fedora-Developer-Rawhide-20200108.n.0-sda.raw.xz

下載完成后，解壓文件

unxz -k Fedora-Developer-Rawhide-20200108.n.0-sda.raw.xz

接著下載啟動(dòng)文件

wget https://dl.fedoraproject.org/pub/alt/risc-v/repo/virt-builder-images/images/Fedora-Developer-Rawhide-20200108.n.0-fw_payload-uboot-qemu-virt-smode.elf

執(zhí)行的腳本如下

export VER=20200108.n.0

qemu-system-riscv64 -machine virt

-nographic

-smp 4

-m 8G

-bios Fedora-Developer-Rawhide-${VER}-fw_payload-uboot-qemu-virt-smode.elf

-object rng-random，filename=/dev/urandom，id=rng0

-device virtio-rng-device，rng=rng0

-device virtio-blk-device，drive=hd0

-drive file=Fedora-Developer-Rawhide-${VER}-sda.raw，format=raw，id=hd0

-device virtio-net-device，netdev=usernet

-netdev user，id=usernet，hostfwd=tcp:22

正常情況下，啟動(dòng)信息如下：

下面也列出了用戶名

login： riscv

password： fedora_rocks！

進(jìn)入環(huán)境后可以正常使用鏡像。

使用python。

這樣就可以在RISCV的架構(gòu)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序了。

8.2 下載安裝ubuntu鏡像

安裝需要的工具

sudo apt install qemu-system-misc opensbi u-boot-qemu qemu-utils

到ubuntu官網(wǎng)上看到可以下載的鏡像

http://ubuntutym2.u-toyama.ac.jp/ubuntu-dvd/20.04/release/

下載地址如下：

wget http://ubuntutym2.u-toyama.ac.jp/ubuntu-dvd/20.04/release/ubuntu-20.04.2-preinstalled-server-riscv64.img.xz

然后解壓

xz -dk ubuntu-20.04.2-preinstalled-server-riscv64.img.xz

最后可以運(yùn)行ubuntu的腳本

qemu-system-riscv64

-machine virt -nographic -m 2048 -smp 4

-bios /usr/lib/riscv64-linux-gnu/opensbi/generic/fw_jump.elf

-kernel /usr/lib/u-boot/qemu-riscv64_smode/uboot.elf

-device virtio-net-device，netdev=eth0 -netdev user，id=eth0

-drive file=ubuntu-20.04.2-preinstalled-server-riscv64.img，format=raw，if=virtio

執(zhí)行的現(xiàn)象如下：

登錄用戶名，密碼

username:ubuntu

password:ubuntu

然后修改新的密碼，最后可以正常進(jìn)入ubuntu。

9.總結(jié)本文從頭介紹了一個(gè)riscv64上運(yùn)行完整Linux的流程，也完成fedora&ubuntu兩個(gè)發(fā)行版本的RISC-V環(huán)境搭建。

越來(lái)越多的RISCV的發(fā)新版本的適配，也充分展示了RISCV架構(gòu)生態(tài)的繁榮。

目前越來(lái)越多的發(fā)新版OS開(kāi)始慢慢適配RISCV，但是由于硬件資源和開(kāi)發(fā)板的稀缺，導(dǎo)致很多軟件生態(tài)不能實(shí)際的構(gòu)建，此時(shí)可以通過(guò)qemu來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

開(kāi)發(fā)板的出現(xiàn)只是遲早的，目前D1開(kāi)發(fā)板對(duì)標(biāo)樹(shù)莓派，想必出來(lái)后也可以運(yùn)行Linux的發(fā)行版，后期可以將其適配到各種Linux的發(fā)行版本上，在其進(jìn)行軟件生態(tài)建設(shè)也是一個(gè)不錯(cuò)的平臺(tái)。

原文標(biāo)題：搭建qemu RISC-V運(yùn)行Linux環(huán)境

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