最小配置的 RISC-V Linux 内核

Corrector: TinyCorrect v0.2-rc1 - [codeinline refs pangu] Author: Yuan Tan tanyuan@tinylab.org Date: 2023/08/14 Revisor: Falcon falcon@tinylab.org Project: RISC-V Linux 内核剖析 Sponsor: PLCT Lab, ISCAS

前言

在开发和测试的环节中，需要经常编译内核。如果使用 defconfig，由于默认开启的配置过多，使用 16 线程编译需要 150 秒，极大的影响了开发效率，打断思路。而如果使用 tinyconfig 只需要 16 秒，编译时间降低为原来的十分之一。

然而 tinyconfig 无法满足调试与验证需求。本文将探索在 tinyconfig 的基础上，创建一个尽可能小的 RISC-V Linux 内核，并让其能够正常运行并打印字符。

环境配置

下载工具链

Ubuntu 22.04 的包管理器中有 RISC-V 的交叉编译工具链，不需要手动编译：

sudo apt install gcc-riscv64-linux-gnu

下载 QEMU

sudo apt install qemu-system-riscv64

下载 Linux Kernel 源码

在 此处 下载 Linux Kernel 源码。本篇文章中使用 6.5.5 版本的内核。其他版本应该类似。

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.5.5.tar.xz
tar xvf linux-6.5.5.tar.xz
cd linux-6.5.5

initramfs

initramfs（initial RAM file system）是一种在 Linux 操作系统中用于引导时临时加载的文件系统。它主要用于在实际根文件系统（root file system）被挂载之前，提供必要的工具、模块和文件，以便启动过程中执行一些必要的初始化和设置操作。

我们使用一个简单的程序，打印 test 后并退出系统，不进行后续的任务。

// init.c

#include <stdio.h>
#include <sys/reboot.h>

int main(int argc, char **argv, char **envp)
{
    printf("test\n");

    reboot(RB_POWER_OFF);

    return 0;
}

编译并创建 Initramfs source files。

mkdir ~/initrd/
riscv64-linux-gnu-gcc -static init.c -o ~/initrd/init
chmod +x ~/initrd/init

我们还需要创建一个 console 设备：

mkdir ~/initrd/dev
sudo mknod ~/initrd/dev/console c 5 1

后续内核编译时，会将 Initramfs source files 即 ~/initrd/ 放入内核映像中。

内核配置

Linux 内核是高度可配置的，要完成我们的目标，我们需要在内核中开启以下选项：

• ELF 支持
• 串口与驱动
• initramfs 支持
• FPU 支持

创建最小的配置文件：

ARCH=riscv CROSS_COMPILE=/opt/riscv-gcc/bin/riscv64-linux-gnu- make tinyconfig

打开 menuconfig：

ARCH=riscv CROSS_COMPILE=/opt/riscv-gcc/bin/riscv64-linux-gnu- make menuconfig

ELF 支持

使用 / 搜索 BINFMT_ELF：

输入 1 后点击空格选择 Kernel support for ELF binaries：

串口与驱动

进入 Device Drivers -> Character devices，选中 Enable TTY。

选中 Enable TTY 会自动启用一些选项，由于不需要这些功能，可以取消他们的选中。

进入 Device Drivers -> Character devices -> Serial drivers，启用 8250/16550 and compatible serial support 后，启用 Console on 8250/16550 and compatible serial port 和 Devicetree based probing for 8250 ports，如下图：

initramfs 支持

进入 General setup，选中 Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support，并在 Initramfs source file(s) 中输入刚刚的 Initramfs source files 位置。

FPU 支持

由于 Debian 和 Ubuntu 的 riscv64-linux-gnu-gcc只支持 lp64d ABI，所以需要开启内核中的 FPU 支持。关于 RISC-V 数据模型和浮点参数传递的详细信息，可以查阅后文的参考资料。

进入 Platform type，选中 FPU support

如果手动编译一个 ABI 为 lp64 的 riscv64-linux-gnu-gcc，那么不需要开启 FPU support。

运行

编译内核：

ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- make -j

在 QEMU 中运行内核：

qemu-system-riscv64 -nographic -machine virt -kernel arch/riscv/boot/Image -append "console=ttyS0"

成功打印 test：

总结

RISC-V Linux Kernel 只需要这些配置，就能运行并打印串口，为开发调试带来了很大的便利。

参考资料

• RISC-V 数据模型，-mabi=ilp32, ilp32f, ilp32d, lp64, lp64f, lp64d_ilp32f
• All Aboard, Part 1: The -march, -mabi, and -mtune arguments to RISC-V Compilers