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booting-linux-kernel-in-qemu-using-uboot-and-opensbi.md 11 KB
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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:

$ sudo pacman -S git riscv64-linux-gnu-gcc qemu-system-riscv

For Ubuntu:

$ 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:

$  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:

$ 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

$ mkdir workshop && cd workshop

Clone OpenSBI

$ git clone https://github.com/riscv/opensbi.git && cd opensbi && git checkout v1.4 && cd ..

Clone U-Boot

$ git clone https://github.com/u-boot/u-boot.git && cd u-boot && git checkout v2024.04 && cd ..

Clone busybox

$ git clone https://github.com/mirror/busybox.git && cd busybox && git checkout 1_36_0 && cd ..

Clone Linux Kernel

$ 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

$ cd linux

导出环境变量

$ export ARCH=riscv
$ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-

生成.config文件

$ make defconfig

验证.config文件是否存在RISC-V

$ 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

$ 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

$ cd busybox

导出环境变量

$ export ARCH=riscv
$ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-

编译busybox

$ 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

# 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：

$ 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。

# 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

# 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：

$ 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。

$ 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

# Mount the 1st partition
$ sudo mkdir rootfs
$ sudo mount /dev/loop0p1 rootfs
$ cd rootfs

拷贝Linux Kernel镜像

$ sudo cp ../linux/arch/riscv/boot/Image .

拷贝根文件系统

$ 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

$ cd workshop
$ sudo umount rootfs

将/dev/loop0分离

$ 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

$ cd u-boot

导出环境变量

$ export ARCH=riscv
$ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-

生成.config文件

# 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

# 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

$ cd opensbi

导出环境变量

$ export ARCH=riscv
$ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-

编译OpenSBI

$ 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

$ cd workshop

运行下面命令

$ 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小节一致

编译OpenSBI

进入OpenSBI目录

$ cd opensbi

导出环境变量

$ export ARCH=riscv
$ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-

编译OpenSBI

$ 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

$ cd workshop

运行下面命令

$ 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

$ cd opensbi

导出环境变量

$ export ARCH=riscv
$ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-

编译OpenSBI

$ 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

$ cd u-boot

导出环境变量

$ export ARCH=riscv
$ export CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-
$ export OPENSBI=../opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_dynamic.bin

生成.config文件

# 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

# 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

$ cd workshop

运行下面命令

$ 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