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RISC-V: 固件与操作系统引导 | eg OpenSBI | 借助AI注释项目代码

news 来源：原创 2025/5/17 17:58:59

引入：计算机没有黑魔法

例如我们都可以，通过指令来查看我们计算机的信息

“Everything is a State Machine”

  • 在许多状态之间不断切换程序就运行了起来
  • Makefile 也是程序；它也是状态机
  • 程序不好读的话，我们还可以调试它！
    • 计算机系统公理：你想到的就一定有人做到
    • “总有人会去发明轮子的”
    • 然后 相信编译器一定是对的

RISC-V: 固件与操作系统引导

灵魂三问

  1. RISC-V 系统是如何复位、执行什么固件、如何加载操作系统的？
  2. OpenSBI 的入口位于什么地方？
  3. _start 开始的 _try_lottery 是做什么的？

一、RISC-V 系统复位与启动流程详解

1. 复位机制与固件执行

RISC-V 系统的复位流程由硬件信号触发，所有核心跳转至复位向量地址（如 FU540 芯片的 0x1004），进入 M-mode 执行固化在 ROM 中的 ZSBL（第零阶段引导程序）。

ZSBL 根据 MSEL 引脚配置加载下一阶段固件（如 FSBL），FSBL 负责初始化 DDR 内存、时钟和中断控制器，随后将控制权移交至 OpenSBI

关键步骤：

  • ZSBL：从 ROM 中加载 FSBL 到 L2 LIM 缓存（地址 0x0800_0000）。
  • FSBL：配置 DDR 并加载 BBL 或 OpenSBI 到 DDR（地址 0x8000_0000）。
  • OpenSBI：作为 M-mode 运行时服务，通过 SBI 调用为操作系统提供硬件抽象。
2. 操作系统加载

OpenSBI 完成硬件初始化后，将跳转至操作系统的入口地址（如 Linux 内核的 _start），通过设备树（DTB）传递硬件参数。U-Boot 可作为中间加载器，支持从 Flash、网络等介质加载内核镜像。

二、OpenSBI 入口与调试方法

1. 入口地址

OpenSBI 的入口通常位于 0x8000_0000（DDR 起始地址），这是 RISC-V 虚拟化平台（如 QEMU virt）的标准配置。可通过 QEMU 启动参数验证：

qemu-system-riscv64 -machine virt -bios opensbi.bin

启动后 OpenSBI 会输出固件基地址和大小。

2. 调试建议
  • GDB 跟踪：在 QEMU 中启用 GDB 调试，断点设置在 _start 或 OpenSBI 初始化函数。
  • SBI 调用监控：通过修改 OpenSBI 源码添加日志，观察 ecall 指令的参数传递（如 EID 和 FID）。

三、_start 与 _try_lottery 分析

1. 函数作用

_try_lottery 常见于多核启动场景，用于 动态选择主核（Boot HART）。其逻辑通常包括：

  • 检查当前 HART ID 是否为主核。
  • 若非主核，则进入等待循环；主核继续执行后续初始化（如加载设备树、启动调度器）。
2. 优化建议
  • 锁机制：使用原子操作或硬件锁避免多核竞争。
  • 性能分析：通过 PMU（性能监控单元）统计各核启动延迟，优化任务分配策略。

四、建议

1. 调试与验证工具
  • QEMU + GDB：模拟 RISC-V 环境，单步跟踪启动流程。
  • RISC-V Trace：使用 SiFive Trace 或 Lauterbach 硬件跟踪器，捕获复位到操作系统的完整指令流。
2. 固件定制
  • OpenSBI 扩展：基于 SBI 规范开发自定义扩展（如安全启动），通过 ecall 提供专属服务。
  • U-Boot 集成：在 S-mode 运行 U-Boot，利用其文件系统和网络协议栈加载复杂内核。
3. 性能优化
  • DDR 初始化加速：预计算 PLL 配置参数，减少 FSBL 阶段的延时。
  • 并行启动：在多核系统中，让从核提前初始化外设，缩短整体启动时间。
4. 安全增强
  • IOPMP 配置：通过内存保护单元限制外设访问权限，防止恶意代码篡改引导链（参考 SpacemiT V100 设计，[1]）。
  • 可信执行环境（TEE）：集成 OP-TEE，在 OpenSBI 阶段验证内核签名。

五、总结与扩展方向

问题

核心要点

扩展方向

RISC-V 复位与启动

多阶段引导（ZSBL→FSBL→OpenSBI） + SBI 抽象层

安全启动、多核协同

OpenSBI 入口

0x8000_0000（DDR 基址） + SBI 服务网关

自定义 SBI 扩展、性能监控

_try_lottery

主核选择逻辑 + 多核同步机制

锁优化、PMU 分析

推荐实践：

  1. 使用 QEMU 模拟不同 MSEL 配置，观察启动路径变化（[3]）。
  2. 修改 OpenSBI 源码，添加自定义 SBI 调用（如动态频率调节）。
  3. 结合 Lauterbach Trace32 分析 _try_lottery 的执行时序，优化多核启动效率。

OpenSBI

OpenSBI: 一个开源的 RISC-V 引导固件，用于管理 RISC-V 平台的启动过程。

  • 它实现了 SBI（Supervisor Binary Interface）规范，为操作系统提供了硬件抽象层，简化了系统启动和硬件管理。
  • OpenSBI 支持多种 RISC-V 处理器和平台，广泛用于嵌入式系统和开发板。

一、环境准备与依赖安装

1. 安装编译工具链
# 安装基础工具  
sudo apt-get install build-essential git device-tree-compiler  
# 安装 RISC-V 交叉编译器（以 riscv64-unknown-elf 为例）  
sudo apt-get install gcc-riscv64-unknown-elf

确保交叉编译器路径已添加到环境变量（若未自动添加）：

export PATH=$PATH:/usr/local/riscv64-unknown-elf/bin
2. 获取 OpenSBI 源码
git clone https://github.com/riscv-software-src/opensbi.git  
cd opensbi  
# 切换至稳定版本（例如 v1.2）  
git checkout v1.2

二、编译流程详解

1. 核心编译命令解析

OpenSBI 的编译通过 Makefile 控制，关键参数如下：

make CROSS_COMPILE=riscv64-unknown-elf- PLATFORM=generic
  • CROSS_COMPILE：指定交叉编译工具链前缀（如 riscv64-unknown-elf-）
  • PLATFORM：目标平台（如 generic 或 qemu/virt，具体平台代码位于 platform/ 目录）
  • FW_JUMP_ADDR：可选参数，指定跳转地址（如 0x80200000 用于 Linux 内核加载）
2. 分步编译操作
# 创建输出目录  
mkdir -p output/opensbi  
# 执行编译（以 QEMU virt 平台为例）  
make CROSS_COMPILE=riscv64-unknown-elf- PLATFORM=qemu/virt  
# 复制生成文件至输出目录  
cp build/platform/qemu/virt/firmware/fw_jump.bin output/opensbi/

生成文件说明：

  • fw_jump.bin：跳转型固件，需手动指定下一阶段地址
  • fw_payload.bin：包含嵌入式内核的固件（如结合 U-Boot）

三、Makefile 关键逻辑解析

1. 平台配置加载

Makefile 会加载 platform/<PLATFORM>/objects.mk，定义平台相关源文件和链接脚本（[1]）。例如：

# platform/qemu/virt/objects.mk  
platform-objs-y += platform/qemu/virt/sbi_platform.o  
firmware-objs-$(CONFIG_FW_JUMP) += firmware/fw_jump.o
2. 固件生成流程
  1. 汇编启动代码：firmware/fw_base.S 定义入口 _start，处理多核同步和重定位（[1]）。
  2. C 代码初始化：lib/sbi/sbi_init.c 初始化设备树、异常处理、定时器等（[1]）。
  3. 链接脚本控制：firmware/fw_base.lds 指定代码段布局（.text 起始地址为 FW_TEXT_START，默认 0x80000000）。

四、调试与验证

1. QEMU 模拟运行
qemu-system-riscv64 -machine virt -bios output/opensbi/fw_jump.bin -nographic

输出示例：

OpenSBI v1.2  
Platform Name          : QEMU Virt Machine  
Firmware Base          : 0x80000000  
Firmware Size          : 112 KB  
Runtime SBI Version    : 1.0
2. GDB 调试技巧
# 启动 QEMU 调试模式  
qemu-system-riscv64 -machine virt -bios fw_jump.bin -s -S -nographic  
# 另开终端连接 GDB  
riscv64-unknown-elf-gdb build/platform/qemu/virt/firmware/fw_jump.elf  
(gdb) target remote :1234  
(gdb) b _start       # 在入口点设置断点  
(gdb) c              # 继续执行

观察点：

  • 检查 a0（HART ID）、a1（设备树地址）寄存器初始化值
  • 跟踪 sbi_init 函数调用链（[1]）

五、常见问题与解决方案

1. 编译错误：未找到交叉编译器
  • 原因：CROSS_COMPILE 路径未正确设置
  • 修复：确认编译器可执行文件存在，例如：
ls /usr/local/riscv64-unknown-elf/bin/riscv64-unknown-elf-gcc
2. 启动时卡在 _wait_for_boot_hart
  • 分析：非主核（Boot HART）未正确释放锁
  • 调试：修改 fw_base.S 添加调试输出（需重新编译）：
/* 在 _wait_for_boot_hart 循环前添加 */  
la a0, msg_wait  
call sbi_platform_console_puts
3. 自定义平台适配
  1. 复制现有平台模板（如 platform/generic/）至新目录
  2. 修改 objects.mk 添加平台特定驱动
  3. 编译时指定 PLATFORM=new_platform

对于分析 Makefile

使用 make -nB > a.log 查看实际执行的命令，

  • grep 过滤干扰项；sed 让输出更易读
  • 然后再 vim 查看可使‘ ' --> /n
  • 逐级分析 Makefile 中的目标依赖关系。

我们也可以借助之前实现的 ag api：通过 output-->program 的想法， 借助 vim -->ai 来让 ai 帮我们实现注释

直接让AI帮你写注释 调格式，读五百多行的makefile文件也不是梦了🙂

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