[置顶] 泰晓 RISC-V 实验箱，配套 30+ 讲嵌入式 Linux 系统开发公开课
两分钟内极速体验 RISC-V Linux 系统发行版
Wu Zhangjin 创作于 2022/03/30
Author: Wu Zhangjin falcon@tinylab.org Date: 2022/03/30 Project: RISC-V Linux 内核剖析
背景简介
随着 RISC-V Linux 内核兴趣小组 活动的不断推进，大家迫切需要更完善的 RISC-V 开发环境。
在 RISC-V Linux 内核开发方面，社区研发的 Linux Lab 已经完美支持了 RISC-V Linux 内核 v5.17 的开发支持：
- 支持 riscv32/virt 虚拟开发板
- 支持 riscv64/virt 虚拟开发板
两款板子都已经支持最新的 qemu 6.0 和 Linux v5.17。
并且都提供了可以直接运行的内核和小型文件系统，但是我们还需要一个方便软件安装的较为完整的 RISC-V Linux 发行版。
好消息是，Linux Lab 和 Linux Lab Disk 在这方面也做了非常非常便利的功能，且听一一道来。
RISC-V Linux 发行版支持状态
RISC-V 的各个主流 Linux 发行版都在火热开发中，比如社区前段刚介绍过 为哪吒 D1 开发板安装 ArchLinux RISC-V rootfs，除了 ArchLinux，咱们也在本次活动参考资料的 思维导图 中做了详细地整理：
如何使用 RISC-V Linux 发行版
常规的 RISC-V Linux 发行版用法是：
- 先购买一块 RISC-V 的开发板
- 按照发行版的官方文档进行安装
- 配置一番，然后开机体验
第一步就很麻烦，目前的板子都比较贵而且性能极慢（大概在 1-1.2G 左右），问题是还很难买到。
第二步也相当困难，首先是大部分发行版的支持正在开发过程中，其次是安装方式还是嵌入式或 Hacker 级别的，如 为哪吒 D1 开发板安装 ArchLinux RISC-V rootfs。
第三步如果要换一个大一点外置存储卡启动，可能得去设置启动开关，很多时候，找开发板手册上的开关序列跟猜密码一样。
总之，传统的这种使用方式其实门槛挺高的。
当然，也有机构提供了远程访问方式，但是一般仅向开发人员开放，而且资源非常有限。
有没有更轻松愉快的体验方式呢？当然。
更亲民的 RISC-V Linux 系统使用方式
咱们这里介绍的方式贼简单，大家只要有一台 X86 电脑，装上 Docker 就行，接下来我们演示一下。
简单准备
咱们以本次活动推荐的统一实验环境 Linux Lab Disk 为例（其他环境请自行安装 Docker）。
Linux Lab Disk 已经支持 6 大主流 Linux 发行版，包括 Ubuntu, Kali, Mint, Deepin, Manjaro, Fedora 等，这里任选了一个 Kali 版本来做实验。
首先是打开桌面的 Cloud Lab Manager，并安装 qemu-user-static，以 Ubuntu, Kali, Mint, Deepin 版本为例，除了软件安装命令略有差异，其他都一样。
$ sudo apt install -y qemu-user-static jq
接着是直接进入到 Linux Lab 的工作目录：
$ pwd
~/Develop/cloud-lab
$ cd labs/linux-lab
查询支持的 RISC-V Linux 发行版
然后检索 Docker 中已经支持的 riscv64 发行版：
$ docker search riscv64 | grep ^riscv64/
riscv64/debian Debian is a Linux distribution that's compos… 1
riscv64/busybox Busybox base image. 0
riscv64/alpine A minimal Docker image based on Alpine Linux… 0
riscv64/ubuntu Ubuntu is a Debian-based Linux operating sys… 0
可以看到已经有 busybox, debian, alpine 和 ubuntu，接下来以 ubuntu 为例，先看看支持的 tags：
$ ../../tools/docker/tags riscv64/ubuntu
"latest"
"devel"
"jammy"
"jammy-20220315"
"22.04"
"rolling"
"impish"
"impish-20220316"
"21.10"
"focal"
可以看到，最新已经支持 Ubuntu 22.04 了。
任选一个下载下来
这里来选 22.04 下载下来：
$ tools/root/docker/extract.sh riscv64/ubuntu:22.04
LOG: Pulling riscv64/ubuntu:22.04
22.04: Pulling from riscv64/ubuntu
779c5da60b92: Pull complete
Digest: sha256:4de0b5a51c63b54d27ad151217f6cefaa4114a5db33abce6f47fc6a1f2c3bc2b
Status: Downloaded newer image for riscv64/ubuntu:22.04
docker.io/riscv64/ubuntu:22.04
LOG: Running riscv64/ubuntu:22.04
WARNING: The requested image's platform (linux/riscv64) does not match the detected host platform (linux/amd64) and no specific platform was requested
LOG: Creating temporary rootdir: /home/kali/Develop/cloud-lab/labs/linux-lab/prebuilt/fullroot/tmp/riscv64-ubuntu-22.04
LOG: Extract docker image to /home/kali/Develop/cloud-lab/labs/linux-lab/prebuilt/fullroot/tmp/riscv64-ubuntu-22.04
[sudo] password for kali:
LOG: Removing docker container
2b3b9d005682e664f40f4ff80ce483e3673828eaafef51809757e2d91b2ba090
LOG: Chroot into new rootfs
Linux linux-lab-host 5.10.0-kali9-amd64 #1 SMP Debian 5.10.46-4kali1 (2021-08-09) riscv64 riscv64 riscv64 GNU/Linux
Ubuntu Jammy Jellyfish (development branch) \n \l
极速体验目标 Linux 系统
然后通过 chroot 运行：
$ tools/root/docker/chroot.sh riscv64/ubuntu:22.04
LOG: Chroot into /home/kali/Develop/cloud-lab/labs/linux-lab/prebuilt/fullroot/tmp/riscv64-ubuntu-22.04
root@linux-lab-host:/#
root@linux-lab-host:/# uname -a
Linux linux-lab-host 5.10.0-kali9-amd64 #1 SMP Debian 5.10.46-4kali1 (2021-08-09) riscv64 riscv64 riscv64 GNU/Linux
root@linux-lab-host:/# uname -m
riscv64
root@linux-lab-host:/# exit
如果不想持久化保存运行的结果，那么可以直接用 tools/root/docker/run.sh，用完即弃！
跑个测试验证系统完整度和性能
刚好最近我们开发了一套 microbench 测试工具，正缺少 RISC-V 的开发环境，这不，一拍即合。
这里同样用 chroot 方式运行，先准备好这个套件需要的基本工具：
$ tools/root/docker/chroot.sh riscv64/ubuntu:22.04
LOG: Chroot into /home/kali/Develop/cloud-lab/labs/linux-lab/prebuilt/fullroot/tmp/riscv64-ubuntu-22.04
root@linux-lab-host:/#
root@linux-lab-host:/# apt update -y
root@linux-lab-host:/# apt install -y git make
因为里面是直接可以上网的，咱们直接 clone 代码，然后跑测试：
root@linux-lab-host:/# git clone https://gitee.com/tinylab/riscv-linux.git
Cloning into 'riscv-linux'...
remote: Enumerating objects: 503, done.
remote: Counting objects: 100% (503/503), done.
remote: Compressing objects: 100% (422/422), done.
remote: Total 503 (delta 242), reused 59 (delta 22), pack-reused 0
Receiving objects: 100% (503/503), 20.22 MiB | 2.05 MiB/s, done.
Resolving deltas: 100% (242/242), done.
root@linux-lab-host:/home# cd riscv-linux/test/microbench/
root@linux-lab-host:/home# make
...
benchmark/build/test/riscv64
2022-03-29T20:12:04+00:00
Running benchmark/build/test/riscv64
Run on (3 X 1992 MHz CPU s)
Load Average: 1.17, 0.82, 0.66
-------------------------------------------------------------------------
Benchmark Time CPU Iterations
-------------------------------------------------------------------------
BM_nop 1.65 ns 1.65 ns 359748100
BM_ub 1.36 ns 1.36 ns 558737615
BM_bnez 1.48 ns 1.48 ns 441950287
BM_beqz 1.56 ns 1.55 ns 418441841
BM_load_bnez 1.50 ns 1.49 ns 516576425
BM_load_beqz 1.55 ns 1.55 ns 483432569
BM_cache_miss_load_bnez 6.90 ns 6.74 ns 100000000
BM_cache_miss_load_beqz 5.03 ns 4.62 ns 109358335
BM_branch_miss_load_bnez 9.36 ns 9.22 ns 102308122
BM_branch_miss_load_beqz 8.27 ns 7.97 ns 68458283
BM_cache_branch_miss_load_bnez 10.7 ns 9.21 ns 100000000
BM_cache_branch_miss_load_beqz 10.9 ns 10.9 ns 51663839
上述的 make 命令会自动下载源码、安装 gcc 和 g++ 开发环境、自动编译并运行，所以能够确保该文件系统满足 RISC-V 的基本开发需求。
这个测试数据恰好又能反映我们用这种方式运行该 RISC-V Linux 系统的真实性能。
通过与 logs/ 目录下的真实 4 核心 SiFive 机器数据相比：
-------------------------------------------------------------------------
Benchmark Time CPU Iterations
-------------------------------------------------------------------------
BM_nop 2.10 ns 2.10 ns 334100173
BM_ub 2.93 ns 2.93 ns 238630940
BM_bnez 2.51 ns 2.51 ns 278384258
BM_beqz 2.51 ns 2.51 ns 278395329
BM_load_bnez 1.68 ns 1.68 ns 417591333
BM_load_beqz 4.19 ns 4.19 ns 167046897
BM_cache_miss_load_bnez 9.49 ns 9.48 ns 73806185
BM_cache_miss_load_beqz 9.54 ns 9.54 ns 73725342
BM_branch_miss_load_bnez 13.4 ns 13.4 ns 52280162
BM_branch_miss_load_beqz 13.3 ns 13.3 ns 52296957
BM_cache_branch_miss_load_bnez 13.3 ns 13.3 ns 52293050
BM_cache_branch_miss_load_beqz 13.4 ns 13.4 ns 52244654
不难发现，即使是跑在虚拟机下，并且有指令翻译开销，X86 主机（1.9GHz）比 1.2GHz 的 RISC-V 板子还是更快一些。
当然，大家也可以自行按照上述步骤把这个测试用例放到 RISC-V 开发板上跑。如果目标机器的系统太简陋，非常简单，开启静态编译即可：
root@linux-lab-host:/home# make distclean
root@linux-lab-host:/home# make STATIC=1
root@linux-lab-host:/home# ls benchmark/build/test/riscv64
benchmark/build/test/riscv64
root@linux-lab-host:/home# apt install -y file
root@linux-lab-host:/home# file benchmark/build/test/riscv64
benchmark/build/test/riscv64: ELF 64-bit LSB executable, UCB RISC-V, RVC, double-float ABI, version 1 (GNU/Linux), statically linked, BuildID[sha1]=9936c98555982fefd19eb014fe575a11aeb5aa6c, for GNU/Linux 4.15.0, not stripped
然后，把这个测试程序放到 RISC-V 目标系统上运行就可以评估 RISC-V 板子的真实性能了。欢迎大家在各种不同厂家的 RISC-V 开发板上测试，然后把数据提交到 RISC-V Linux 项目中。
提交数据很简单，这样就可以：
root@linux-lab-host:/home# make logging
建议同时跑一组：
root@linux-lab-host:/home# make logging O=0
把 logs/ 目录下新增的结果提交 Pull Request 上来即可。
目前该测试用例仅适配了 x86 和 riscv64 架构，如需在其他架构上运行，请参考 test/ 下的测试用例自行移植，同样欢迎提交 Pull Request。
小结
由 Linux Lab Disk 提供的这种使用 RISC-V Linux 发行版的方式非常方便：
- 无需购买 RISC-V 开发板
- 无需复杂的安装过程，不用懂嵌入式等 Hacking 技巧
- 仅需几分钟就能通过简单的步骤直接运行，还可以做复杂的 C/C++ 等程序开发
有了 RISC-V Linux 系统发行版以后，很多开发工作就更好开展，比如说软件开发、软件优化与软件打包，甚至做汇编语言开发，指令架构研究和编译器开发等。
除了 RISC-V，大家也可以用同样地方式体验其他处理器架构的 Linux 系统发行版，一样轻松自如。
最后，我们来留一个悬念，如果需要的 RISC-V Linux 发行版还不在 docker 镜像库呢，怎么办？且听下回分解。
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