搭建qemu RISC-V运行Linux环境

• 1.本文概述

• 2.工具介绍

• 2.1 riscv-gnu-toolchain

• 2.2 spike

• 2.3 RISC-V Porxy Kernel

• 2.4 编译工具

• 3.编译Linux Kernel

• 4.编译busybox

• 5.制作根文件系统

• 6.编译安装qemu

• 7.启动基本Linux程序

• 8.运行发行版本OS(fedora&ubuntu)

• 8.1 下载安装fedora镜像

• 8.2 下载安装ubuntu镜像

• 9.总结

1.本文概述

目前虽然RISC-V的硬件开发板能够运行Linux的十分难得，从探索RISCV的生态的角度上来看，使用模拟器也是一种非常好的方式。使用QEMU能够很好的模拟RISCV的硬件资源，后期有实际的开发板后将其软件生态移植上去也并不复杂。

本文将演示QEMU上建立RISCV的环境，以及如何交叉编译Linux，通过文章的描述，可以掌握RISC-V上的Linux的编译开发流程，文章也展示了在riscv64架构上运行fedora和ubuntu两个Linux发行版本的过程。

2.工具介绍

在进行环境搭建之前，首先先来介绍一些目前开源的比较热门的RISCV工具项目。

2.1 riscv-gnu-toolchain

RISCV的GNU工具链，是编译RISC-V程序的交叉编译工具链。

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

主要有两个版本：

• riscv64-­unknown-­elf-gcc是使用newlib，主要用于静态编译的独立的程序或者单机嵌入式程序，RTOS等等。
• riscv64-unknown-­linux-­gnu-­gcc使用的glibc，可以编译动态链接程序，例如大型操作系统如Linux等等。

如果编译选项加上-nostartfiles -nostdlib -nostdinc，两个编译版本一致

2.2 spike

spike是一个开源的RISC-V的指令模拟器，实现了一个和多个RISC-V harts的功能，提供了丰富的系统仿真，其名称来自于Golden Spike，是第一条横贯美国大陆的铁路。

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

在RISC-V架构指令集扩展层面有着非常好的实现。

2.3 RISC-V Porxy Kernel

RISC-V Proxy Kernel and Boot Loader，简称RISCV-PK，是一个轻量级的应用程序的可执行环境，可以加载静态的RISCV ELF的可执行文件。主要两个功能，代理和引导启动，可以作为引导启动RISC-V的Linux的环境。

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

2.4 编译工具

如果要一次性部署这些工具，可以通过下面的仓库进行操作

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

在此之前，首先安装必要的程序，本次使用的环境为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

当安装好必要的程序后，可以clone仓库。

git clone https://github.com/riscv/riscv-tools.git
git submodule update --init --recursive
export RISCV=~/riscv
./build.sh

可能会遇到如下的错误：

要解决这个问题，首先需要安装下载riscv64的交叉编译工具链。

git clone https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain
./configure --prefix=$RISCV

其中配置项目--enable-multilib表示编译32bit和64bit的gcc，支持，这里不选择，只编译32bit的交叉编译工具链。

经过测试最高版本的gcc交叉编译工具链，编译riscv-tools会出现异常，所以替换成低一点的版本。

riscv-gnu-toolchain/riscv-gcc
git checkout riscv-gcc-8.2.0

紧接着开始编译

make -j $(nproc)

表示编译baremate版本的嵌入式交叉编译环境。

make -j $(nproc) linux

编译Linux版本的交叉编译环境。

编译完成后，可以看到编译好的程序。

ls ~/riscv/bin

然后，返回去编译riscv-tools。

最后导出环境变量

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

3.编译Linux Kernel

在编译Linux Kernel之前，需要安装相关的工具。

sudo apt install libncurses5-dev libncursesw5-dev

下载编译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)

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

4.编译busybox

可以用busybox制作生成根文件系统，同时也提供了Linux下运行的一些基本程序与控制台。

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

需要选择静态link。

选择静态link

然后开始编译

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

5.制作根文件系统

下面来制作一个空的磁盘，格式为ext2的文件系统。

dd if=/dev/zero of=root.bin bs=1M count=64
mkfs.ext2 -F root.bin

这样就制作了一个空的，名称为root.bin文件格式为ext2的文件系统。

接着只需要将busybox的程序加载进去即可。

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

制作好的根文件系统目录结构如下：

如果要创建更加功能完善的Linux的根文件系统，这里可以采用buildroot或者Yocto来进行创建。

6.编译安装qemu

可以直接安装

sudo apt install qemu-system-misc

或者自己编译

编译之前需要安装如下的库：

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

因为要运行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=后面的路径是需要填写自己的路径。

最后添加环境变量到自己的路径。

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

7.启动基本Linux程序

事先准备好编译完成的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

此时可以看到Linux正常的启动。

第一阶段是OpenSBI，后面一个阶段才是

Linux启动后，无法正常输入命令，需要输入

/bin/busybox --install -s

可以看到RISCV64 的 Linux正常的运行起来了。

8.运行发行版本OS(fedora&ubuntu)

根据之前的描述，如果在buildroot中选择了qemu_riscv64_virt_defconfig，那么最后生成的可执行脚本如下

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

上述的脚本可以作为基本的参考。如果要运行fedora，那么可以按照下面的流程进行。

首先安装virt-builder，可以快速构建虚拟机环境。

sudo apt install libguestfs-tools

接下来可以添加fedora的仓库。

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

通过列出riscv64支持的发行版镜像

8.1 下载安装fedora镜像

下载fedora镜像，所有的镜像可以在下列的网站中找到

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

此时构建一个20200108版本的镜像。

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

下载完成后，解压文件

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

接着下载启动文件

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

执行的脚本如下

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::3333-:22

正常情况下，启动信息如下：

下面也列出了用户名

login:     riscv
password:  fedora_rocks!

进入环境后可以正常使用镜像。

使用python。

这样就可以在RISCV的架构上开发应用程序了。

8.2 下载安装ubuntu镜像

安装需要的工具

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

到ubuntu官网上看到可以下载的镜像

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

下载地址如下：

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

然后解压

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

最后可以运行ubuntu的脚本

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

执行的现象如下：

登录用户名，密码

username:ubuntu
password:ubuntu

然后修改新的密码，最后可以正常进入ubuntu。

9.总结

本文从头介绍了一个riscv64上运行完整Linux的流程，也完成fedora&ubuntu两个发行版本的RISC-V环境搭建。

越来越多的RISCV的发新版本的适配，也充分展示了RISCV架构生态的繁荣。

目前越来越多的发新版OS开始慢慢适配RISCV，但是由于硬件资源和开发板的稀缺，导致很多软件生态不能实际的构建，此时可以通过qemu来进行实验。

开发板的出现只是迟早的，目前D1开发板对标树莓派，想必出来后也可以运行Linux的发行版，后期可以将其适配到各种Linux的发行版本上，在其进行软件生态建设也是一个不错的平台。

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