使用RustSBI和EDK2在QEMU中启动Arch Linux

本教程将介绍如何使用RustSBI和EDK2在QEMU中启动Arch Linux。

运行本教程需要在安装了Arch Linux x86_64的系统上进行。

创建根文件系统

首先创建一个rootfs文件夹并修改权限为root。

mkdir rootfs
sudo chown root:root ./rootfs

然后使用pacstrap这个pacman的初始化工具在rootfs安装base软件包，最好也顺便装一个vim。

sudo pacstrap \
	-C /usr/share/devtools/pacman.conf.d/extra-riscv64.conf \
	-M ./rootfs \
	base vim
sudo cp /usr/share/devtools/pacman.conf.d/extra-riscv64.conf rootfs/etc/

extra-riscv64.conf是在archlinuxcn/devtools-riscv64软件包中提供的便利工具，其中包括了archriscv该移植的pacman.conf文件，当然一般推荐修改一下该文件的镜像站点，以提高安装的速度。

然后清理一下pacman的缓存文件，缩小rootfs的大小，尤其是考虑到后面因为各种操作失误可能会反复解压rootfs文件。

sudo pacman  \
	--sysroot ./rootfs \
	--sync --clean --clean

然后设置一下该rootfs的root账号密码：

sudo usermod --root $(realpath ./rootfs) --password $(openssl passwd -6 "$password") root

就可以将rootfs打包为压缩包文件备用了。

sudo bsdtar --create \
    --auto-compress --options "compression-level=9"\
    --xattrs --acls\
    -f archriscv-rootfs.tar.zst -C rootfs/ .

初始化虚拟机镜像

首先，创建一个qcow2格式的QEMU虚拟机磁盘镜像：

qemu-img create -f qcow2 rustsbi-edk2-archriscv.img 10G

其中磁盘的大小可以自行定义。

为了能够像正常的磁盘一样进行读写，需要将该文件映射到一个块设备，而这通过qemu-nbd程序实现。首先需要加载该程序需要使用的内核驱动程序：

sudo modprobe nbd max_part=8

命令中的max_part指定了最多能够挂载的块设备（文件）个数。然后将该文件虚拟化为一个块设备：

sudo qemu-nbd -c /dev/nbd0 rustsbi-edk2-archriscv.img

挂载完毕之后就可以进行初始化虚拟机磁盘镜像的工作了。初始化虚拟机镜像主要涉及到如下几步：

格式化磁盘并安装根文件系统；
编译内核和生成初始化RAM磁盘。

使用EDK2进行引导需要磁盘的分区方式符合UEFI规范的要求，即使用GPT作为分区表的格式，并创建一个ESP(EFI System Parition)分区存放启动系统。

首先使用fdisk工具进行格式化，这里生成的分区如下表所示。

分区	类型	格式	挂载点	大小
/dev/nbd0p1	EFI System	FAT32	/boot	512M
/dev/nbd0p2	Linux Filesystem	EXT4	/	余下的空间

在使用fdisk完成硬盘的分区之后，进行分区的格式化。

sudo mkfs.fat -F 32 /dev/nbd0p1
sudo mkfs.ext4 /dev/nbd0p2

格式化完成之后，创建一个新的mnt目录，用于挂载新创建的硬盘。

sudo mkdir mnt
sudo mount /dev/nbd0p2 mnt
sudo mkdir mnt/boot
sudo mount /dev/nbd0p1 mnt/boot

将上一步中创建的根文件系统解压到mnt文件夹中：

cd mnt
sudo bsdtar -kpxf ../archriscv-rootfs.tar.zst

编译Linux RISC-内核

这里不能使用Arch RISC-官方打包的Linux镜像，因为官方打包的镜像进行了压缩，不符合UEFI启动的标准，无法使用UEFI直接启动。

使得Linux符合UEFI标准的功能称作Linux EFI STUB

这里使用Linux源代码自行编译内核。

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.15.9.tar.xz
tar xvf linux-6.15.9.tar.xz
cd linux-6.15.9
ARCH=riscv make CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- defconfig
ARCH=riscv make CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- Image -j$(nproc)

编译完成之后的arch/riscv/boot/Image就是一个符合UEFI规范要求的EFI应用程序，将它复制到mnt/boot目录中。

cd ..
sudo cp linux-6.15.9/arch/riscv/boot/Image mnt/boot/linux-6.15.9.elf

编译Linux内核模块并安装到rootfs中。

cd linux-6.15.9
ARCH=riscv make CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- modules -j$(nproc)
sudo ARCH=riscv make CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- modules_install INSTALL_MOD_PATH=../mnt/usr

生成初始化RAM磁盘

使用如下的命令systemd-nswapd切换进行rootfs文件系统中。

sudo systemd-nspawn -D mnt /bin/bash

这也是在系统启动失败时进入系统进行修复的常用命令，采用qemu-riscv64-static实现跨架构二进制文件执行。

首先安装mkinitcpio，这是Arch Linux推荐的RAM磁盘生成工具。

pacman -Sy mkinitcpio

在/etc/mkinitcpio.d/linux-6.15.9.preset中复制如下的内容：

# mkinitcpio preset file for the 'linux' package

#ALL_config="/etc/mkinitcpio.conf"
ALL_kver="/boot/linux-6.15.9.elf"

PRESETS=('default')

#default_config="/etc/mkinitcpio.conf"
default_image="/boot/initramfs-6.15.9.img"
#default_uki="/efi/EFI/Linux/arch-linux.efi"
#default_options="--splash /usr/share/systemd/bootctl/splash-arch.bmp"

生成启动使用initramfs。

mkinitcpio -P

退出systemd-nswapd。

生成启动脚本

首先查看镜像中启动根文件系统的UUID。

export uuid=$(sudo findmnt mnt -o uuid -n)

在`mnt/boot中生成启动脚本

cd mnt/boot
echo "\linux-6.15.9.elf initrd=initramfs-6.15.9.img rw root=UUID=${uuid} rootwait console=ttyS0,115200" | sudo tee startup.nsh

取消对于硬盘的挂载。

sudo umount -R mnt
sudo qemu-nbd -d /dev/nbd0

编译RustSBI和EDK2

首先拉取RustSBI的源代码并编译RustSBI：

git clone https://github.com/rustsbi/rustsbi.git --depth 1
cd rustsbi
cargo prototyper

然后拉取EDK2的源代码并编译EDK2:

git clone --recurse-submodule git@github.com:tianocore/edk2.git -b edk2-stable202505
cd edk2
export GCC5_RISCV64_PREFIX=riscv64-linux-gnu-
source edksetup.sh
build -a RISCV64 -b RELEASE -p OvmfPkg/RiscVVirt/RiscVVirtQemu.dsc -t GCC5

为了符合QEMU对于PFLASH固件的要求，将编译好的UEFI固件大小扩展到32M。

truncate -s 32M Build/RiscVVirtQemu/RELEASE_GCC5/FV/RISCV_VIRT_VARS.fd 
truncate -s 32M Build/RiscVVirtQemu/RELEASE_GCC5/FV/RISCV_VIRT_CODE.fd

使用QEMU的启动指令导出启动时使用的设备树并进行修改，下面的指令会将QEMU启动之后使用的设备树导出为virt.dtb。

qemu-system-riscv64 \
        -machine virt,dumpdtb=virt.dtb \
        -smp 1 \
        -m 4G \
        -bios rustsbi/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/rustsbi-prototyper-dynamic.bin \
        -device virtio-blk-device,drive=hd0 \
        -drive file=rustsbi-edk2-archriscv.img,format=qcow2,id=hd0,if=none \ 
        -object rng-random,filename=/dev/urandom,id=rng0 \
        -device virtio-rng-device,rng=rng0 \
        -monitor unix:/tmp/qemu-monitor,server,nowait \
        -nographic \
        -serial mon:stdio

使用dtc编译器将dtb文件还原为dts文件。

dtc -I dtb -o dts virt.dtb -o virt.dts

在model属性下，添加下面的reserved-memory属性：

    reserved-memory {
		#address-cells = <0x00000002>;
		#size-cells = <0x00000002>;
		ranges;
		mmode_resv1@80040000 {
			reg = <0x00000000 0x80040000 0x00000000 0x00040000>;
			no-map;
		};
		mmode_resv0@80000000 {
			reg = <0x00000000 0x80000000 0x00000000 0x00040000>;
			no-map;
		};
	};

重新将该dts文件编译为dtb文件。

dtc -I dts -O dtb virt.dts -o virt.dtb

重新编译RustSBI，使用上面编辑之后的设备树作为嵌入的设备树。

cd rustsbi
cargo prototyper --fdt ../virt.dtb

启动QEMU

使用如下的指令启动QEMU：

qemu-system-riscv64  \
        -M virt,pflash0=pflash0,pflash1=pflash1,acpi=off \
        -m 4096 -smp 8 \
        -bios rustsbi/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/rustsbi-prototyper-dynamic.bin \
        -blockdev node-name=pflash0,driver=file,read-only=on,filename=edk2/Build/RiscVVirtQemu/RELEASE_GCC5/FV/RISCV_VIRT_CODE.fd  \
        -blockdev node-name=pflash1,driver=file,filename=edk2/Build/RiscVVirtQemu/RELEASE_GCC5/FV/RISCV_VIRT_VARS.fd \
        -device virtio-blk-device,drive=hd0  \
        -drive file=rustsbi-edk2-archriscv.img,format=qcow2,id=hd0,if=none \
        -netdev user,id=n0 -device virtio-net,netdev=n0 \
        -monitor unix:/tmp/qemu-monitor,server,nowait \
        -nographic \
        -serial mon:stdio

启动系统并登录之后，验证是否使用UEFI启动成功：

$ cat /sys/firmware/efi/fw_platform_size 
64

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