搭建qemu RISC-V運行Linux環境

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

6.編譯安裝qemu

7.啟動基本Linux程序

8.運行發行版本OS（fedora&ubuntu）

8.1 下載安裝fedora鏡像

8.2 下載安裝ubuntu鏡像

9.總結

1.本文概述目前雖然RISC-V的硬件開發板能夠運行Linux的十分難得，從探索RISCV的生態的角度上來看，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，后期有實際的開發板后將其軟件生態移植上去也并不復雜。

本文將演示QEMU上建立RISCV的環境，以及如何交叉編譯Linux，通過文章的描述，可以掌握RISC-V上的Linux的編譯開發流程，文章也展示了在riscv64架構上運行fedora和ubuntu兩個Linux發行版本的過程。

2.工具介紹在進行環境搭建之前，首先先來介紹一些目前開源的比較熱門的RISCV工具項目。

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

主要有兩個版本：

riscv64--unknown--elf-gcc是使用newlib，主要用于靜態編譯的獨立的程序或者單機嵌入式程序，RTOS等等。

riscv64-unknown--linux--gnu--gcc使用的glibc，可以編譯動態鏈接程序，例如大型操作系統如Linux等等。

如果編譯選項加上-nostartfiles -nostdlib -nostdinc，兩個編譯版本一致

2.2 spike

spike是一個開源的RISC-V的指令模擬器，實現了一個和多個RISC-V harts的功能，提供了豐富的系統仿真，其名稱來自于Golden Spike，是第一條橫貫美國大陸的鐵路。

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

在RISC-V架構指令集擴展層面有著非常好的實現。

2.3 RISC-V Porxy Kernel

RISC-V Proxy Kernel and Boot Loader，簡稱RISCV-PK，是一個輕量級的應用程序的可執行環境，可以加載靜態的RISCV ELF的可執行文件。主要兩個功能，代理和引導啟動，可以作為引導啟動RISC-V的Linux的環境。

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

2.4 編譯工具

如果要一次性部署這些工具，可以通過下面的倉庫進行操作

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

當安裝好必要的程序后，可以clone倉庫。

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

git submodule update --init --recursive

export RISCV=~/riscv

。/build.sh

可能會遇到如下的錯誤：

要解決這個問題，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。

經過測試最高版本的gcc交叉編譯工具鏈，編譯riscv-tools會出現異常，所以替換成低一點的版本。

riscv-gnu-toolchain/riscv-gcc

git checkout riscv-gcc-8.2.0

緊接著開始編譯

make -j $（nproc）

表示編譯baremate版本的嵌入式交叉編譯環境。

make -j $（nproc） linux

編譯Linux版本的交叉編譯環境。

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。

最后導出環境變量

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，同時也提供了Linux下運行的一些基本程序與控制臺。

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link。

選擇靜態link

然后開始編譯

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

5.制作根文件系統下面來制作一個空的磁盤，格式為ext2的文件系統。

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

mkfs.ext2 -F root.bin

這樣就制作了一個空的，名稱為root.bin文件格式為ext2的文件系統。

接著只需要將busybox的程序加載進去即可。

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目錄結構如下：

如果要創建更加功能完善的Linux的根文件系統，這里可以采用buildroot或者Yocto來進行創建。

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：

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

因為要運行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自己的路徑。

最后添加環境變量到自己的路徑。

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

7.啟動基本Linux程序事先準備好編譯完成的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

此時可以看到Linux正常的啟動。

第一階段是OpenSBI，后面一個階段才是

Linux啟動后，無法正常輸入命令，需要輸入

/bin/busybox --install -s

可以看到RISCV64 的 Linux正常的運行起來了。

8.運行發行版本OS（fedora&ubuntu）根據之前的描述，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。如果要運行fedora，那么可以按照下面的流程進行。

首先安裝virt-builder，可以快速構建虛擬機環境。

sudo apt install libguestfs-tools

接下來可以添加fedora的倉庫。

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

通過列出riscv64支持的發行版鏡像

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站中找到

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

此時構建一個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，啟動信息如下：

下面也列出了用戶名

login： riscv

password： fedora_rocks！

進入環境后可以正常使用鏡像。

使用python。

這樣就可以在RISCV的架構上開發應用程序了。

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

執行的現象如下：

登錄用戶名，密碼

username:ubuntu

password:ubuntu

然后修改新的密碼，最后可以正常進入ubuntu。

9.總結本文從頭介紹了一個riscv64上運行完整Linux的流程，也完成fedora&ubuntu兩個發行版本的RISC-V環境搭建。

越來越多的RISCV的發新版本的適配，也充分展示了RISCV架構生態的繁榮。

目前越來越多的發新版OS開始慢慢適配RISCV，但是由于硬件資源和開發板的稀缺，導致很多軟件生態不能實際的構建，此時可以通過qemu來進行實驗。

開發板的出現只是遲早的，目前D1開發板對標樹莓派，想必出來后也可以運行Linux的發行版，后期可以將其適配到各種Linux的發行版本上，在其進行軟件生態建設也是一個不錯的平臺。

原文標題：搭建qemu RISC-V運行Linux環境

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責任編輯：haq