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即插即跑:Linux Lab Disk开创了3种智能启动方式
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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:

  1. 先购买一块 RISC-V 的开发板
  2. 按照发行版的官方文档进行安装
  3. 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

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 x86riscv64 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

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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