基于qemu-riscv64模拟器运行debian

Debian Port已经可以提供risc-v体系结构的软件包集合[https://wiki.debian.org/RISC-V]。

以下记录基于qemu模拟risc-v平台环境并运行debian的过程。

宿主机环境

宿主机ubuntu18.04.1 LTS(x86_64)，安装自带gcc编译器和riscv64交叉编译器。

apt install gcc-riscv64-linux-gnu gcc binutils

qemu

从官网下载并编译riscv64模拟器

git clone https://git.qemu.org/git/qemu.git --depth 1
./configure --target-list=riscv64-softmmu
make

编译后生成模拟器riscv64-softmmu/qemu-system-riscv64。

qemu包含一个称为virt的虚拟平台，通过参数-machine virt（或-M virt）指定使用该类型board以模拟riscv64平台。

注：不必执行make install安装，后面直接在qemu源码根目录下运行，以便于跟踪调试qemu代码。

risc-v opensbi

开源项目opensbi实现符合RISC-V SBI规范的固件firmware，以该firmware（64位）作为引导的第一级。

git clone https://github.com/riscv/opensbi.git --depth 1
make PLATFORM=generic CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- PLATFORM_RISCV_XLEN=64

用opensbi自带的测试payload验证qemu和opensbi有效性。

在qemu源码根目录下执行测试脚本：

./riscv64-softmmu/qemu-system-riscv64 -M virt -m 256M -nographic \
    -kernel /root/gitQemu/opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_jump.elf \
    -device loader,file=/root/gitQemu/opensbi/build/platform/generic/firmware/payloads/test.bin,addr=0x80200000

结果显示OpenSBI的启动画面，最后一行是测试payload(test.bin)的显示信息”Test payload running”。

u-boot

编译u-boot，作为引导的第二级。

注意：为了让u-boot运行在supervisor mode，选择配置qemu-riscv64_smode_defconfig

git clone https://gitlab.denx.de/u-boot/u-boot.git --depth 1
make qemu-riscv64_smode_defconfig CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-
make CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu-

生成u-boot.bin。现在再次执行如下测试，验证u-boot是否可以被正常启动。

./riscv64-softmmu/qemu-system-riscv64 -machine virt -m 256M -nographic \
    -kernel /root/gitQemu/opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_jump.elf \
    -device loader,file=/root/gitQemu/u-boot/u-boot.bin,addr=0x80200000 &

相对于OpenSBI自带的测试，只是更改了-device loader,file=指定的路径。

执行成功将会显示u-boot的启动信息，同时由于没有指定根文件系统，最后会报告找不到启动设备或网络。

debian

从[https://people.debian.org/~gio/dqib/]找到Images for riscv64-virt，下载debian预编译的镜像。

解开压缩包，包括三个文件image.qcow2，initrd和kernel：

其中image.qcow2是完整的debian根文件系统镜像，initrd和kernel是镜像中临时启动盘和内核的拷贝。

通过guestmount挂载该镜像并查看其内容。需要安装libguestfs-tools。

apt install libguestfs-tools

通过guestmount挂载该镜像到/mnt目录，可以查看或修改根文件系统内容，然后用guestunmount解除挂载。

guestmount -a image.qcow2 -m /dev/sda1 /mnt/
ls /mnt
guestunmount /mnt

导出FDT

下步启动内核时需要FDT，从qemu导出。

执行如下脚本：

./riscv64-softmmu/qemu-system-riscv64 -nographic -machine virt,dumpdtb=qemu-virt.dtb -m 1G \
    -kernel /root/gitQemu/opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_jump.elf \
    -device loader,file=/root/gitQemu/u-boot/u-boot.bin,addr=0x80200000 \
    -object rng-random,filename=/dev/urandom,id=rng0 -device virtio-rng-device,rng=rng0 \
    -append "console=ttyS0 rw root=/dev/vda1" \
    -device virtio-blk-device,drive=hd0 -drive file=/root/gitQemu/images/image.qcow2,format=qcow2,id=hd0 \
    -device virtio-net-device,netdev=brnet0,mac=00:16:3e:09:3d:58 -netdev tap,id=brnet0,vhost=on,vnet_hdr=on &

其中起作用的是-machine virt,dumpdtb=qemu-virt.dtb

这样就可以得到qemu自定义的board类型virt的二进制fdt文件qemu-virt.dtb。

构造FIT Image

用u-boot的命令行工具mkimage构造FIT Image并替换debian镜像中的原内核文件vmlinux。

1. 编辑kernel_fdt.its

从u-boot/doc/uImage.FIT/kernel_fdt.its拷贝一份进行修改。

修改内容包括kernel的路径、压缩格式加载地址和入口地址，以及dtb的路径。

修改后内容：

/*
 * Simple U-Boot uImage source file containing a single kernel and FDT blob
 */

/dts-v1/;

/ {
        description = "Simple image with single Linux kernel and FDT blob";
        #address-cells = ;

        images {
                kernel {
                        description = "Linux kernel";
                        data = /incbin/("./kernel");
                        type = "kernel";
                        arch = "riscv";
                        os = "linux";
                        compression = "none";
                        load = ;
                        entry = ;
                        hash-1 {
                                algo = "crc32";
                        };
                        hash-2 {
                                algo = "sha1";
                        };
                };
                fdt-1 {
                        description = "Flattened Device Tree blob";
                        data = /incbin/("./qemu-virt.dtb");
                        type = "flat_dt";
                        arch = "riscv";
                        compression = "none";
                        hash-1 {
                                algo = "crc32";
                        };
                        hash-2 {
                                algo = "sha1";
                        };
                };
        };

        configurations {
                default = "conf-1";
                conf-1 {
                        description = "Boot Linux kernel with FDT blob";
                        kernel = "kernel";
                        fdt = "fdt-1";
                };
        };
};

注意：文件中”./kernel”是从前述debian压缩包中解压得到的kernel文件路径，”./qemu-virt.dtb”是上一步得到的FDT。另外，load和entry也是关键，分别指定了内核加载地址和执行入口地址，这里都是0x81a00000。

执行如下脚本制作FIT Image并替换镜像中的vmlinux：

guestmount -a image.qcow2 -m /dev/sda1 /mnt/
# make sure that the vmlinux and qemu-virt.dtb are all in local directory
../u-boot/tools/mkimage -f ./kernel_fdt.its ./vmlinux-5.5.0-1-riscv64
# override old vmlinux-5.5.0-1-riscv64 in 'image.qcow2'
cp ./vmlinux-5.5.0-1-riscv64 /mnt/boot/vmlinux-5.5.0-1-riscv64
guestunmount /mnt

正式启动debian linux

执行如下脚本，启动qemu模拟riscv64平台，运行debian：

./riscv64-softmmu/qemu-system-riscv64 -nographic -machine virt -m 1G \
    -kernel /root/gitQemu/opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_jump.elf \
    -device loader,file=/root/gitQemu/u-boot/u-boot.bin,addr=0x80200000 \
    -object rng-random,filename=/dev/urandom,id=rng0 -device virtio-rng-device,rng=rng0 \
    -append "console=ttyS0 rw root=/dev/vda1" \
    -device virtio-blk-device,drive=hd0 -drive file=/root/gitQemu/images/image.qcow2,format=qcow2,id=hd0 \
    -device virtio-net-device,netdev=net0,mac=52:54:00:12:34:58 -netdev user,id=net0

与上次执行命令行的区别仅仅是”-machine virt”后面没有指定dumpdtb。

Debian启动之后，用root登录，口令为root。

由于网络类型为user mode，ICMP被禁止，所以无法用ping命令。

直接执行apt测试网络：

apt update

注意：默认的sources.list使用域名deb.debian.org，如果不通，可以更换为镜像ftp.de.debian.org或ftp.kr.debian.org。