# 使用OpenSBI & U-Boot在QEMU中启动Linux内核 本教程给出了使用OpenSBI和U-Boot在QEMU中启动Linux内核的基本流程。高级用户可以在本教程中配置或构建各种内容时尝试不同的选项。 请读者在其主机上安装必要的软件来尝试本教程的脚本。本教程是在Arch Linux上开发的。 [环境配置](#环境配置)小节给出了本教程的环境配置方法，用户在使用本教程时需要先完成环境配置小节内容。 [编译Linux Kernel](#编译linux-kernel)小节给出了Linux Kernel的编译流程，并使用编译好的Linux Kernel镜像制作启动盘。 OpenSBI 有三种 Firmware： - `fw_payload`：下一引导阶段被作为 payload 打包进来，通常是 U-Boot 或 Linux。这是兼容 Linux 的 RISC-V 硬件所使用的默认 Firmware。 - `fw_jump`：跳转到一个固定地址，该地址上需存有下一个加载器。QEMU 的早期版本曾经使用过它。 - `fw_dynamic`：根据前一个阶段传入的信息动态加载下一个阶段。U-Boot SPL/Coreboot 使用 `fw_dynamic`。现在 QEMU 默认使用 `fw_dynamic`。 [`fw_payload`](#fw_payload)小节本给出了使用OpnSBI `fw_payload`类型固件和U-Boot在QEMU上启动Linux Kernel的教程。 [`fw_jump`](#fw_jump)小节本给出了使用OpnSBI `fw_jump`类型固件和U-Boot在QEMU上启动Linux Kernel的教程。 [`fw_dynamic`](#fw_dynamic)小节本给出了使用OpnSBI `fw_dynamic`类型固件和U-Boot在QEMU上启动Linux Kernel的教程。 本教程使用软件版本如下： | 软件 | 版本 | | :-------------------: | :-----: | | riscv64-linux-gnu-gcc | 14.1.0 | | qemu-system-riscv64 | 9.0.1 | | OpenSBI | 1.4 | | U-Boot | 2024.04 | | Linux Kernel | 6.2 | | busybox | 1.36.0 | ## 环境配置 ### 安装交叉编译器和QEMU For Arch Linux: ``` shell $ sudo pacman -S git riscv64-linux-gnu-gcc qemu-system-riscv ``` For Ubuntu: ``` shell $ sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade $ sudo apt-get install git qemu-system-misc gcc-riscv64-linux-gnu ``` #### 测试是否成功安装 For riscv64-linux-gnu-gcc: ``` shell $ riscv64-linux-gnu-gcc --version ``` 它将输出以下版本信息 ``` riscv64-linux-gnu-gcc (GCC) 14.1.0 Copyright (C) 2024 Free Software Foundation, Inc. This is free software; see the source for copying conditions. There is NO warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. ``` For QEMU: ``` shell $ qemu-system-riscv64 --version ``` 它将输出以下版本信息 ``` QEMU emulator version 9.0.1 Copyright (c) 2003-2024 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers ``` ### 准备OpenSBI， U-Boot ， busybox和Linux Kernel源码 创建工作目录并进入该目录 ``` shell $ mkdir workshop && cd workshop ``` Clone OpenSBI ``` shell $ git clone https://github.com/riscv/opensbi.git && cd opensbi && git checkout v1.4 && cd .. ``` Clone U-Boot ``` shell $ git clone https://github.com/u-boot/u-boot.git && cd u-boot && git checkout v2024.04 && cd .. ``` Clone busybox ``` shell $ git clone https://github.com/mirror/busybox.git && cd busybox && git checkout 1_36_0 && cd .. ``` Clone Linux Kernel ``` shell $ git clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git && cd linux && git checkout v6.2 && cd .. ``` ## 编译Linux Kernel 进入`linux`目录 ``` shell $ cd linux ``` 导出环境变量 ``` shell $ export ARCH=riscv $ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- ``` 生成`.config`文件 ``` shell $ make defconfig ``` 验证`.config`文件是否存在RISC-V ``` shell $ grep --color=always -ni 'riscv' .config ``` 观察到RISC-V 配置选项已启用 ``` CONFIG_RISCV=y ``` 编译Linux Kernel ``` shell $ make -j$(nproc) ``` 生成的文件`Image` 和 `Image.gz` 可以在`arch/riscv/boot/`目录找到。 `Image.gz`是 `Image` 的压缩形式。 ### 创建根文件系统 #### 编译busybox > busybox在Ubuntu 22.04和Arch Linux系统上编译时会报错，推荐在Ubuntu 20.04系统上编译。 进入busybox目录 ``` shell $ cd busybox ``` 导出环境变量 ``` shell $ export ARCH=riscv $ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- ``` 编译busybox ``` shell $ make defconfig $ make menuconfig # Enable the Build static binary (no shared libs) option in Settings-->Build Options $ make -j $(nproc) $ make install ``` #### 创建启动盘 在`workshop`目录运行以下命令来创建一个1 GB的磁盘镜像 ``` shell # Create a 1 GB disk image $ qemu-img create linux-rootfs.img 1g ``` #### 创建分区 将在磁盘映像`linux-rootfs.img`上创建1个分区，这个分区是可引导的。 `parted`命令将用于在镜像`linux-rootfs.img`中创建分区。在镜像中创建分区表： ``` shell $ sudo parted linux-rootfs.img mklabel gpt ``` 现在`linux-rootfs.img`中有一个分区表。将`linux-rootfs.img`挂载为loop device，以便它可以用作块设备。将`linux-rootfs.img`挂载为块设备将允许在其中创建分区。 ``` shell # Attach linux-rootfs.img with the first available loop device $ sudo losetup --find --show linux-rootfs.img ``` > - `find`：查找第一个未使用的loop device > - `show`：显示`linux-rootfs.img`附加到的loop device的名称 记下循环设备的完整路径。在本教程中它是`/dev/loop0`。对`/dev/loop0`的操作将会对`linux-rootfs.img`进行操作。 对`/dev/loop0`分区 ``` shell # Create a couple of primary partitions $ sudo parted --align minimal /dev/loop0 mkpart primary ext4 0 100% $ sudo parted /dev/loop0 print ``` #### 格式化分区 通过以下命令查看分区： ``` shell $ ls -l /dev/loop0* ``` 在本教程中，分区为`/dev/loop0p1`。 格式化分区并创建`ext4`文件系统，同时将分区设置为可引导分区。 ``` shell $ sudo mkfs.ext4 /dev/loop0p1 # Mark first partition as bootable $ sudo parted /dev/loop0 set 1 boot on ``` #### 将Linux Kernel和根文件系统拷贝进启动盘 ``` shell # Mount the 1st partition $ sudo mkdir rootfs $ sudo mount /dev/loop0p1 rootfs $ cd rootfs ``` 拷贝Linux Kernel镜像 ``` shell $ sudo cp ../linux/arch/riscv/boot/Image . ``` 拷贝根文件系统 ``` shell $ sudo cp -r ../busybox/_install/* . $ sudo mkdir proc sys dev etc etc/init.d $ cd etc/init.d/ $ sudo cat > rcS << EOF #!/bin/sh mount -t proc none /proc mount -t sysfs none /sys /sbin/mdev -s EOF $ sudo chmod +x rcS ``` 卸载`rootfs` ``` shell $ cd workshop $ sudo umount rootfs ``` 将`/dev/loop0`分离 ``` shell $ sudo losetup -d /dev/loop0 ``` ## `fw_payload` 本小节给出了使用OpnSBI `fw_payload`类型固件和U-Boot在QEMU上启动Linux Kernel的教程。 ### 编译U-Boot 进入U-Boot目录 ``` shell $ cd u-boot ``` 导出环境变量 ``` shell $ export ARCH=riscv $ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- ``` 生成`.config`文件 ``` shell # To generate .config file out of board configuration file $ make qemu-riscv64_smode_defconfig # add bootcmd value $ make menuconfig ``` U-Boot 配置选项将加载到终端。导航到 `Boot options` $\rightarrow$ `bootcmd value` 并将以下内容写入 `bootcmd` 值： ``` ext4load virtio 0:1 84000000 Image; setenv bootargs root=/dev/vda1 rw console=ttyS0; booti 0x84000000 - ${fdtcontroladdr} ``` 编译U-Boot ``` shell # To build U-Boot $ make -j$(nproc) ``` U-Boot 二进制文件位于 `./u-boot.bin`。 ### 编译OpenSBI 进入OpenSBI目录 ``` shell $ cd opensbi ``` 导出环境变量 ``` shell $ export ARCH=riscv $ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- ``` 编译OpenSBI ``` shell $ make PLATFORM=generic FW_PAYLOAD_PATH=../u-boot/u-boot.bin -j$(nproc) ``` 本小节将使用 QEMU 可以运行的输出文件 `build/platform/generic/firmware/fw_payload.elf`。由于`FW_PAYLOAD_PATH`指向 u-boot，因此 U-Boot 嵌入在输出中，OpenSBI 将自动启动 U-Boot。 ### 使用OpenSBI `fw_payload`固件启动Linux Kernel 进入`workshop`目录 ``` shell $ cd workshop ``` 运行下面命令 ``` shell $ qemu-system-riscv64 -M virt -smp 4 -m 256M -nographic \ -bios ./opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_payload.elf \ -blockdev driver=file,filename=./linux-rootfs.img,node-name=hd0 \ -device virtio-blk-device,drive=hd0 ``` ## `fw_jump` 本小节给出了使用OpnSBI `fw_jump`类型固件和U-Boot在QEMU上启动Linux Kernel的教程。 ### 编译U-Boot 和[`fw_payload`](#fw_payload)小节一致 ### 编译OpenSBI 进入OpenSBI目录 ``` shell $ cd opensbi ``` 导出环境变量 ``` shell $ export ARCH=riscv $ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- ``` 编译OpenSBI ``` shell $ make all PLATFORM=generic PLATFORM_RISCV_XLEN=64 -j$(nproc) ``` 本小节将使用 QEMU 可以运行的输出文件 `build/platform/generic/firmware/fw_jump.bin`。 ### 使用OpenSBI `fw_jump`固件启动Linux Kernel 进入`workshop`目录 ``` shell $ cd workshop ``` 运行下面命令 ``` shell $ qemu-system-riscv64 -M virt -smp 4 -m 256M -nographic \ -bios ./opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_jump.elf \ -kernel ./u-boot/u-boot.bin \ -blockdev driver=file,filename=./linux-rootfs.img,node-name=hd0 \ -device virtio-blk-device,drive=hd0 ``` ## `fw_dynamic` 本小节给出了使用OpnSBI `fw_dynamic`类型固件和U-Boot在QEMU上启动Linux Kernel的教程。 ### 编译OpenSBI 进入OpenSBI目录 ``` shell $ cd opensbi ``` 导出环境变量 ``` shell $ export ARCH=riscv $ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- ``` 编译OpenSBI ``` shell $ make all PLATFORM=generic PLATFORM_RISCV_XLEN=64 -j$(nproc) ``` 本小节将使用 QEMU 可以运行的输出文件 `build/platform/generic/firmware/fw_dynamic.bin`。 ### 编译U-Boot SPL 进入U-Boot目录 ``` shell $ cd u-boot ``` 导出环境变量 ``` shell $ export ARCH=riscv $ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- $ export OPENSBI=../opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_dynamic.bin ``` 生成`.config`文件 ``` shell # To generate .config file out of board configuration file $ make qemu-riscv64_spl_defconfig # add bootcmd value $ make menuconfig ``` U-Boot 配置选项将加载到终端。导航到 `Boot options` $\rightarrow$ `bootcmd value` 并将以下内容写入 `bootcmd` 值： ``` ext4load virtio 0:1 84000000 Image; setenv bootargs root=/dev/vda1 rw console=ttyS0; booti 0x84000000 - ${fdtcontroladdr} ``` 编译U-Boot ``` shell # To build U-Boot $ make -j$(nproc) ``` 本小节将使用二进制文件 `./spl/u-boot-spl`和`./u-boot.itb `。 ### 使用OpenSBI `fw_dynamic`固件启动Linux Kernel 进入`workshop`目录 ``` shell $ cd workshop ``` 运行下面命令 ``` shell $ qemu-system-riscv64 -M virt -smp 4 -m 256M -nographic \ -bios ./u-boot/spl/u-boot-spl \ -device loader,file=./u-boot/u-boot.itb,addr=0x80200000 \ -blockdev driver=file,filename=./linux-rootfs.img,node-name=hd0 \ -device virtio-blk-device,drive=hd0 ```