コグノスケ

Debian on RISC-V

目次: Linux

OpenSBI + Linuxの環境まで動いたので、次はLinuxのディストリビューションに挑みます。ディストリビューションはDebianにします。以前はUnofficialでしたがDebian 13（Trixie）から正式にRISC-Vをサポートする（riscv64 is now an official architecture - debian-riscv）そうです。良いですね。

DebianのドキュメントにStarFive VisionFive V1用のインストール手順がある（Installing Debian On StarFive VisionFive V1 - Debian Wiki）ので、非常に参考になります。

RISC-Vサポート予定とされているDebian 13（Trixie）は現時点だとTesting版のはずですが、RISC-V向けのパッケージが存在しないものがあって（※）動かなさそうだったので、今回はUnstable版（sid）を使用しています。

• NFS Server: Debian Testing (Trixie)
• NFS: nfs-common 2.6.4-5
• QEMU: 9.0.2
• RISC-V Linux: 6.9.0

今回の実験環境はこんな感じです。

（※）例えばlibcbor0.10はRISC-V版が存在しません。openssh-client -> libfido2-1 -> libcbor0.10の依存を持つ、OpenSSHクライアントがインストールできません。

Debianルートファイルシステムの作成

Debianを動作させるにはDebianのルートファイルシステムが必要です。debootstrapコマンドで作成できて超便利です。

$ apt-get install qemu-user-static binfmt-support debootstrap systemd-container rsync wget

$ sudo debootstrap --arch=riscv64 unstable /path/to/riscv-chroot https://deb.debian.org/debian

I: Target architecture can be executed
I: Retrieving InRelease
I: Checking Release signature
I: Valid Release signature (key id 4CB50190207B4758A3F73A796ED0E7B82643E131)
I: Retrieving Packages
I: Validating Packages
I: Resolving dependencies of required packages...
I: Resolving dependencies of base packages...
I: Checking component main on https://deb.debian.org/debian...
I: Retrieving adduser 3.137
I: Validating adduser 3.137
I: Retrieving apt 2.9.7
I: Validating apt 2.9.7
...
I: Configuring tasksel-data...
I: Configuring libc-bin...
I: Configuring ca-certificates...
I: Base system installed successfully.

このとき依存パッケージ、特にQEMU（qemu-user-static）をインストールし忘れていると、E: Unable to execute target architectureとメッセージが出て止まります。

実行

作成したDebian rootfsをQEMUからNFSでマウントします。サーバー側の設定例はこんな感じです。insecureを指定しているなど、セキュリティ完全無視の設定なので実験が終わったら設定を消してください。

#### /etc/exports

/path/to/debian_rootfs    *(rw,no_root_squash,no_subtree_check,insecure)

設定を反映するにはexportfsコマンドを使います。何も出力されませんが、エラーがでなければ良いです。

# apt-get install nfs-kernel-server nfs-common

# exportfs -a

手動でマウントする場合はこんな感じです。

# sudo mount -t nfs -o nolock 192.168.1.1:/path/to/debian_rootfs rootfs

オプションnolockを付けている理由は、portmapやnfslockのようなデーモンなしでもマウントできるようにするためです。busyboxからマウントするときは便利です。

NFS rootfsでの動作確認

QEMUの起動引数はたくさんありますがまずはネットワークデバイスの設定をします。netdevでQEMUの外とのネットワーク接続を定義し、deviceでQEMUの中のネットワークデバイスを定義します。カーネル引数はappendに指定します。rootfsをNFSでマウントするためのオプションは、下記の3つです。

• root=...: rootfsをNFSでマウントする
• nfsroot=...,v3: NFSでマウントするサーバーとディレクトリの指定、NFS v3を使う
• ip=...: IPを自動設定

NFS v4でも動きそうに思うんですけど、私の環境はなぜかNFS v3じゃないと動作しませんでした。これに気づくまでかなり時間を浪費しました……。

$ qemu-system-riscv64 \
  -machine virt \
  -bios none \
  -nographic \
  -chardev stdio,id=con,mux=on \
  -serial chardev:con \
  -mon chardev=con,mode=readline \
  -netdev user,id=netdev0 \
  -device virtio-net-device,netdev=netdev0 \
  -kernel ../../opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_payload.bin \
  -append "root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.1:/path/to/debian_rootfs,v3 ip=on nfsrootdebug rw" \
  -m 2g \
  -smp 4 \
  -s \

...

[    2.312617] ALSA device list:
[    2.313060]   No soundcards found.
[    2.534757] VFS: Mounted root (nfs filesystem) readonly on device 0:20.
[    2.541726] devtmpfs: mounted
[    2.708101] Freeing unused kernel image (initmem) memory: 2260K
[    2.710000] Run /sbin/init as init process
[    4.808617] systemd[1]: systemd 256.4-2 running in system mode (+PAM +AUDIT +SELINUX +APPARMOR +IMA +SMACK +SECCOMP +GCRYPT -GNUTLS +OPENSSL +ACL +BLKID +CURL +ELFUTILS +FIDO2 +IDN2 -IDN +IPTC +KMOD +LIBCRYPTSETUP +LIBCRYPTSETUP_PLUGINS +LIBFDISK +PCRE2 +PWQUALITY +P11KIT +QRENCODE +TPM2 +BZIP2 +LZ4 +XZ +ZLIB +ZSTD +BPF_FRAMEWORK -XKBCOMMON +UTMP +SYSVINIT +LIBARCHIVE)
[    4.811613] systemd[1]: Detected virtualization qemu.
[    4.812465] systemd[1]: Detected architecture riscv64.

Welcome to Debian GNU/Linux trixie/sid!

[    4.857724] systemd[1]: Hostname set to <qemu>.

...

Debian GNU/Linux trixie/sid qemu ttyS0

qemu login: 

うまくいけばログイン画面が拝めるはずです。

ログインユーザーを作成する方法が良くわからなかったため、Debianのrootfsを別のinitramfsからマウントして無理やりuseraddしてユーザーを追加しました。本来どうするものなんでしょうね……？

トラブルシューティング

自分でQEMUをビルドしていると、netdev user,...に対してnetwork backend 'user' is not compiledエラーが出る場合があります。その時はQEMUビルド時のconfigureのログを確認してください。

$ ./qemu-system-riscv64 -netdev user,id=a

qemu-system-riscv64: -netdev user,id=a: network backend 'user' is not compiled into this binary


#### configureのログ（NGパターン）

  Network backends
    AF_XDP support                               : NO
    slirp support                                : NO    ## ★slirpが使えない★
    vde support                                  : NO
    netmap support                               : NO


#### configureのログ（OKパターン）

  Network backends
    AF_XDP support                               : NO
    slirp support                                : YES 4.8.0    ## ★slirpが使える★
    vde support                                  : NO
    netmap support                               : NO

QEMUはnetdev user,...の実装にslirpを使っているようで、slirp supportがNOになっているとnetdev user,...が機能しません。libslirp-devをインストール（apt-get install libslirp-dev）してから、QEMUのconfigureと再ビルドをしてください。

OpenSBIを調べる - デバイスツリーの扱い（実機想定）

目次: Linux

OpenSBIのブート部分を調べます。OpenSBIはいくつか動作モードがあるのですが、payloadを持ったタイプを調べます。対象のファイル名はbuild/platform/generic/firmware/fw_payload.binもしくは.elfです。

今回はデバイスツリーについて調べます。対象はOpenSBI 1.5です。

QEMUの場合は、QEMU起動時にデバイスツリーがロードされ、ブートコードによってレジスタa1にアドレス（-m 128Mの場合0x87e00000、メモリ量オプションによって変わる）が設定されます。実機はこのような動作はしないので、メモリがまっさらな状態からOpenSBIとデバイスツリーをどう配置すれば動くか、その方法についても調べます。

QEMUの動作を復習

QEMU向けの場合はfw_platform_init()がレジスタa1を参照しますので、ブート時にa1の設定が必要です。

//opensbi/firmware/fw_base.S

_bss_zero:
	REG_S	zero, (s4)
	add	s4, s4, __SIZEOF_POINTER__
	blt	s4, s5, _bss_zero

	/* Setup temporary trap handler */
	lla	s4, _start_hang
	csrw	CSR_MTVEC, s4

	/* Setup temporary stack */
	lla	s4, _fw_end
	li	s5, (SBI_SCRATCH_SIZE * 2)
	add	sp, s4, s5

	/* Allow main firmware to save info */
	MOV_5R	s0, a0, s1, a1, s2, a2, s3, a3, s4, a4
	call	fw_save_info
	MOV_5R	a0, s0, a1, s1, a2, s2, a3, s3, a4, s4

#ifdef FW_FDT_PATH
	/* Override previous arg1 */
	lla	a1, fw_fdt_bin
#endif

	/*
	 * Initialize platform
	 * Note: The a0 to a4 registers passed to the
	 * firmware are parameters to this function.
	 */
	MOV_5R	s0, a0, s1, a1, s2, a2, s3, a3, s4, a4
	call	fw_platform_init    /* ★この関数がa1を参照する★ */
	add	t0, a0, zero
	MOV_5R	a0, s0, a1, s1, a2, s2, a3, s3, a4, s4
	add	a1, t0, zero


//opensbi/platform/generic/platform.c

/*
 * The fw_platform_init() function is called very early on the boot HART
 * OpenSBI reference firmwares so that platform specific code get chance
 * to update "platform" instance before it is used.
 *
 * The arguments passed to fw_platform_init() function are boot time state
 * of A0 to A4 register. The "arg0" will be boot HART id and "arg1" will
 * be address of FDT passed by previous booting stage.
 *
 * The return value of fw_platform_init() function is the FDT location. If
 * FDT is unchanged (or FDT is modified in-place) then fw_platform_init()
 * can always return the original FDT location (i.e. 'arg1') unmodified.
 */
unsigned long fw_platform_init(unsigned long arg0, unsigned long arg1,
				unsigned long arg2, unsigned long arg3,
				unsigned long arg4)
{
	const char *model;
	void *fdt = (void *)arg1;    //★ここでレジスタa1の値を使っている★
	u32 hartid, hart_count = 0;
	int rc, root_offset, cpus_offset, cpu_offset, len;

...

関数fw_platform_init()は_bss_zeroの後に呼ばれます。fw_next_arg1()を呼び出す前なのでFW_PAYLOAD_FDT_ADDRやFW_PAYLOAD_FDT_OFFSETを定義しても参照されません。

もしQEMUで既存のデバイスツリーを無視して、手動でロードする実験をしたい場合は、

• OpenSBIのバイナリをロードする
• pcをOpenSBIのロードアドレス兼エントリアドレス（0x80000000）に設定する
• デバイスツリーをロードする
• a1をデバイスツリーのアドレスに設定する
• 上記をすべてのhartに対して実行する

このような設定をすると実験できます。コマンドを手動で実行するのは辛いので、スクリプトファイルを用意してsource (スクリプトファイル)コマンドで実行したほうが楽でしょう。

# load_dtb_opensbi.gdb

restore virt.dtb binary 0x87f00000
thread 1
set $a1=0x87f00000
thread 2
set $a1=0x87f00000
thread 3
set $a1=0x87f00000
thread 4
set $a1=0x87f00000

restore build/platform/generic/firmware/fw_payload.bin binary 0x80000000
thread 1
set $pc=0x80000000
thread 2
set $pc=0x80000000
thread 3
set $pc=0x80000000
thread 4
set $pc=0x80000000

デバイスツリーを0x87f00000にロードして実行する例です。restoreコマンドでロードしているデバイスツリーのバイナリをQEMUから得る方法は前回（2024年月日の日記参照）の説明をご参照ください。

QEMUが起動時に用意するデバイスツリーとは異なるデバイスツリーをロードできることを確認するため、QEMUのデバイスツリーのmodelを少し書き換えたデバイスツリーvirt_mod.dtbを用意します。

/* virt.dts */

/dts-v1/;

/ {
	#address-cells = <0x02>;
	#size-cells = <0x02>;
	compatible = "riscv-virtio";
	model = "riscv-virtio,qemo";    /* ★★qemu → qemoに変更★★ */

DTSからDTBにするとき（その逆もできます）はデバイスツリーコンパイラdtcを使用します。

$ dtc -O dtb virt.dts > virt.dtb

QEMUを起動した後にデバッガーでQEMUにアタッチし、先ほど作成したGDBスクリプトにてロードとレジスタの設定を行います。

$ riscv64-unknown-linux-gnu-gdb

(gdb) target remote :1234

Remote debugging using :1234
warning: No executable has been specified and target does not support
determining executable automatically.  Try using the "file" command.
0x0000000000001000 in ?? ()

(gdb) source load_dtb_opensbi.gdb

Restoring binary file ../qemu/build/virt_mod.dtb into memory (0x87f00000 to 0x87f01c20)
[Switching to thread 1 (Thread 1.1)]
#0  0x0000000000001000 in ?? ()
[Switching to thread 2 (Thread 1.2)]
#0  0x0000000000001000 in ?? ()
[Switching to thread 3 (Thread 1.3)]
#0  0x0000000000001000 in ?? ()
[Switching to thread 4 (Thread 1.4)]
#0  0x0000000000001000 in ?? ()
Restoring binary file build/platform/generic/firmware/fw_payload.bin into memory (0x80000000 to 0x81f51608)
[Switching to thread 1 (Thread 1.1)]
#0  0x0000000000001000 in ?? ()
[Switching to thread 2 (Thread 1.2)]
#0  0x0000000000001000 in ?? ()
[Switching to thread 3 (Thread 1.3)]
#0  0x0000000000001000 in ?? ()
[Switching to thread 4 (Thread 1.4)]
#0  0x0000000000001000 in ?? ()

(gdb) continue

Continuing.

最後のcontinueを実行するとQEMU側もログが出ます。例えばこんな感じです。

$ ./qemu-system-riscv64 
  -machine virt \
  -bios none \
  -nographic \
  -chardev stdio,id=con,mux=on \
  -serial chardev:con \
  -mon chardev=con,mode=readline \
  -smp 4 \
  -s \
  -S

OpenSBI v1.5
   ____                    _____ ____ _____
  / __ \                  / ____|  _ \_   _|
 | |  | |_ __   ___ _ __ | (___ | |_) || |
 | |  | | '_ \ / _ \ '_ \ \___ \|  _ < | |
 | |__| | |_) |  __/ | | |____) | |_) || |_
  \____/| .__/ \___|_| |_|_____/|____/_____|
        | |
        |_|

Platform Name             : riscv-virtio,qemo    ★★改造したmodel名になっている★★
Platform Features         : medeleg
Platform HART Count       : 4

...

OpenSBIがPlatform Nameを出しているログを見れば、先程デバイスツリーを改造したときに付けたmodel名が出力されているはずです。メモリ上にデバイスツリーやOpenSBIがロードされない実機だとしても、デバッガー経由でロードして起動することができそうです。

OpenSBIを調べる - デバイスツリーの扱い（別方法）

目次: Linux

OpenSBIのブート部分を調べます。OpenSBIはいくつか動作モードがあるのですが、payloadを持ったタイプを調べます。対象のファイル名はbuild/platform/generic/firmware/fw_payload.binもしくは.elfです。

今回はOpenSBIのデバイスツリー処理について調べます。対象はOpenSBI 1.5 PLATFORM=genericの改造版、実行環境はQEMU RV64 virt machine（qemu-system-riscv64 -machine virt）です。

Linuxにデバイスツリーの場所を伝えるもう一つの方法

以前（2024年7月24日の日記参照）説明したデバイスツリーの先頭アドレスを取得する処理の概要は下記のとおりです。

  _scratch_init
    //scratch領域を確保する、先頭アドレスはtpレジスタに格納される
    fw_next_arg1()     // firmware/fw_payload.S
      // FW_PAYLOAD_FDT_ADDRが定義済みならFW_PAYLOAD_FDT_ADDRを返す
      // FW_PAYLOAD_FDT_OFFSETが定義済みなら_fw_start + FW_PAYLOAD_FDT_OFFSETを返す
      // いずれも未定義ならばa1レジスタの値を返す    ★改造してこの実装を使ってみる★
      // 結果はscratch->next_arg1に格納

プラットフォームgenericを選択すると選択肢2番目の処理が使われます。が、MakefileからFW_PAYLOAD_FDT_OFFSETの定義を削除すると、3番目の処理を選択できます。

無理やり改造しているので全てが完璧に動作するかわからないですが、少なくともLinuxのブート部分まで到達しますから、OpenSBIの動作を調べるには十分でしょう。Makefileを下記のように改変します。

# opensbi/platform/generic/objects.mk

ifeq ($(PLATFORM_RISCV_XLEN), 32)
  # This needs to be 4MB aligned for 32-bit system
  FW_PAYLOAD_OFFSET=0x400000
else
  # This needs to be 2MB aligned for 64-bit system
  FW_PAYLOAD_OFFSET=0x200000
endif
FW_PAYLOAD_FDT_OFFSET=$(FW_JUMP_FDT_OFFSET)    ★この行を削除する★

FW_PAYLOAD_FDT_ADDRもFW_PAYLOAD_FDT_OFFSETも未定義にしたので、3番目の処理が選択されます。

//opensbi/firmware/fw_payload.S

fw_next_arg1:
#ifdef FW_PAYLOAD_FDT_ADDR
	li	a0, FW_PAYLOAD_FDT_ADDR
#elif defined(FW_PAYLOAD_FDT_OFFSET)
	lla	a0, _fw_start
	li	a1, FW_PAYLOAD_FDT_OFFSET
	add	a0, a0, a1
#else
	add	a0, a1, zero    //★a1レジスタの値を返すだけ★
#endif
	ret

なぜa1レジスタにデバイスツリーの先頭アドレスが格納されるか？については、以前の（2024年7月23日の日記参照）QEMUのデバイスツリーの説明をご参照ください。

レジスタa1の値はすぐに壊れてしまいそうに思えますが、OpenSBIはレジスタa1の値をずっと維持し続けるため実装を工夫しています。

// opensbi/firmware/fw_base.S

	/* Store next address in scratch space */
	MOV_3R	s0, a0, s1, a1, s2, a2    //★a0, a1, a2の値をs0, s1, s2に退避★
	call	fw_next_addr              //★C言語の関数呼び出しでa0, a1, a2レジスタが壊れる★
	REG_S	a0, SBI_SCRATCH_NEXT_ADDR_OFFSET(tp)
	MOV_3R	a0, s0, a1, s1, a2, s2    //★a0, a1, a2の値を復帰★

C言語で実装した関数を呼び出すなど、レジスタa1の値が壊れるとわかっている場合は壊れる前に別レジスタに値を退避し、関数から戻ってきた後に復帰処理を行います。

この改造を行うとデバイスツリーのコピーは行われず、ペイロードにQEMUが生成＆配置したデバイスツリーの先頭アドレスが渡されます。メモリマップはこんな感じです。

デバイスツリーに関連するQEMUのメモリマップ（改造版）

動作ログも確認しましょう。

Domain0 Name              : root
Domain0 Boot HART         : 3
Domain0 HARTs             : 0*,1*,2*,3*
Domain0 Region00          : 0x0000000000100000-0x0000000000100fff M: (I,R,W) S/U: (R,W)
Domain0 Region01          : 0x0000000010000000-0x0000000010000fff M: (I,R,W) S/U: (R,W)
Domain0 Region02          : 0x0000000002000000-0x000000000200ffff M: (I,R,W) S/U: ()
Domain0 Region03          : 0x0000000080040000-0x000000008005ffff M: (R,W) S/U: ()
Domain0 Region04          : 0x0000000080000000-0x000000008003ffff M: (R,X) S/U: ()
Domain0 Region05          : 0x000000000c400000-0x000000000c5fffff M: (I,R,W) S/U: (R,W)
Domain0 Region06          : 0x000000000c000000-0x000000000c3fffff M: (I,R,W) S/U: (R,W)
Domain0 Region07          : 0x0000000000000000-0xffffffffffffffff M: () S/U: (R,W,X)
Domain0 Next Address      : 0x0000000080200000
Domain0 Next Arg1         : 0x0000000087e00000    ★0x82200000 → 0x87e00000に変化した★
Domain0 Next Mode         : S-mode
Domain0 SysReset          : yes
Domain0 SysSuspend        : yes

QEMUが渡してきたアドレス0x87e00000がそのまま使われています。

デバイスツリーのもう1つの扱い方についてわかりました。しかしデバイスツリーを起動時に生成＆配置できるのはQEMUのようなエミュレータだけです。実機ではできませんから、何か別の方法が採用されているはずです。次回は実機でのデバイスツリーの扱いについて調べたいと思います。

OpenSBIを調べる - デバイスツリーの扱い（genericプラットフォーム）

目次: Linux

OpenSBIのブート部分を調べます。OpenSBIはいくつか動作モードがあるのですが、payloadを持ったタイプを調べます。対象のファイル名はbuild/platform/generic/firmware/fw_payload.binもしくは.elfです。

今回はOpenSBIのデバイスツリー処理について調べます。対象はOpenSBI 1.5 PLATFORM=generic、実行環境はQEMU RV64 virt machine（qemu-system-riscv64 -machine virt）です。

• デバイスツリーの先頭アドレスの決め方
• デバイスツリーを配置する方法

の順で説明したいと思います。

デバイスツリーの先頭アドレス

OpenSBIがLinuxを起動するときは、どんなHWなのか伝えるためデバイスツリー（正確に言うとFlattened Devicetree Blob、ファイル名*.dtb）のアドレスを渡します。デバイスツリーのアドレスを渡している箇所のコードはこんな感じです。

//opensbi/lib/sbi/sbi_hart.c

void __attribute__((noreturn))
sbi_hart_switch_mode(unsigned long arg0, unsigned long arg1,
		     unsigned long next_addr, unsigned long next_mode,
		     bool next_virt)
{
	//...略...

	//★各引数に入っている値は下記の通り★
	//arg0 = hartid
	//arg1 = scratch->next_arg1      -> デバイスツリーのアドレス
	//next_addr = scratch->next_addr -> mretのリターンアドレス
	//next_mode = scratch->next_mode
	//next_virt = false

	register unsigned long a0 asm("a0") = arg0;
	register unsigned long a1 asm("a1") = arg1;
	__asm__ __volatile__("mret" : : "r"(a0), "r"(a1));
	__builtin_unreachable();
}

起動ログからもLinuxに渡されている情報が確認できます。

(...略...)

Domain0 Name              : root
Domain0 Boot HART         : 0
Domain0 HARTs             : 0*,1*,2*,3*
Domain0 Region00          : 0x0000000000100000-0x0000000000100fff M: (I,R,W) S/U: (R,W)
Domain0 Region01          : 0x0000000010000000-0x0000000010000fff M: (I,R,W) S/U: (R,W)
Domain0 Region02          : 0x0000000002000000-0x000000000200ffff M: (I,R,W) S/U: ()
Domain0 Region03          : 0x0000000080040000-0x000000008005ffff M: (R,W) S/U: ()
Domain0 Region04          : 0x0000000080000000-0x000000008003ffff M: (R,X) S/U: ()
Domain0 Region05          : 0x000000000c400000-0x000000000c5fffff M: (I,R,W) S/U: (R,W)
Domain0 Region06          : 0x000000000c000000-0x000000000c3fffff M: (I,R,W) S/U: (R,W)
Domain0 Region07          : 0x0000000000000000-0xffffffffffffffff M: () S/U: (R,W,X)
Domain0 Next Address      : 0x0000000080200000    ★scratch->next_addr: mretのリターンアドレス★
Domain0 Next Arg1         : 0x0000000082200000    ★scratch->next_arg1: デバイスツリーのアドレス★
Domain0 Next Mode         : S-mode    ★scratch->next_mode: Supervisorモードで開始★
Domain0 SysReset          : yes
Domain0 SysSuspend        : yes

次はscratch->next_arg1にデバイスツリーのアドレスを設定する仕組みです。このメンバにはfw_next_arg1()関数が返す値が格納されます。以前（2024年7月19日の日記参照）説明したペイロードの先頭アドレスを取得するfw_next_addr()と仕組みも名前も似ていますね。処理の概要は下記のとおりです。

  _scratch_init
    //scratch領域を確保する、先頭アドレスはtpレジスタに格納される
    fw_next_arg1()     // firmware/fw_payload.S
      // FW_PAYLOAD_FDT_ADDRが定義済みならFW_PAYLOAD_FDT_ADDRを返す
      // FW_PAYLOAD_FDT_OFFSETが定義済みなら_fw_start + FW_PAYLOAD_FDT_OFFSETを返す    ★この実装が選択される★
      // いずれも未定義ならばa1レジスタの値を返す
      // 結果はscratch->next_arg1に格納

プラットフォームgenericのMakefileを確認するとFW_PAYLOAD_FDT_OFFSETの定義があるので、2番目の実装が選択されます。

# opensbi/platform/generic/objects.mk

FW_JUMP_FDT_OFFSET=0x2200000
FW_PAYLOAD=y
ifeq ($(PLATFORM_RISCV_XLEN), 32)
  # This needs to be 4MB aligned for 32-bit system
  FW_PAYLOAD_OFFSET=0x400000
else
  # This needs to be 2MB aligned for 64-bit system
  FW_PAYLOAD_OFFSET=0x200000
endif
FW_PAYLOAD_FDT_OFFSET=$(FW_JUMP_FDT_OFFSET)    ★これ★


# opensbi/firmware/objects.mk

ifdef FW_PAYLOAD_FDT_OFFSET
firmware-genflags-$(FW_PAYLOAD) += -DFW_PAYLOAD_FDT_OFFSET=$(FW_PAYLOAD_FDT_OFFSET)
endif

FW_PAYLOAD_FDT_OFFSETの定義は以上のとおりです。デバイスツリーの先頭アドレスを求めるコードはこんな感じです。

//opensbi/firmware/fw_payload.S

fw_next_arg1:
#ifdef FW_PAYLOAD_FDT_ADDR
	li	a0, FW_PAYLOAD_FDT_ADDR
#elif defined(FW_PAYLOAD_FDT_OFFSET)
	lla	a0, _fw_start
	li	a1, FW_PAYLOAD_FDT_OFFSET
	add	a0, a0, a1    //★_fw_start + FW_PAYLOAD_FDT_OFFSETの値を返すだけ★
#else
	add	a0, a1, zero
#endif
	ret

ちなみに_fw_startは0x80000000、FW_PAYLOAD_FDT_OFFSETは0x2200000ですから、デバイスツリーの先頭アドレスは0x82200000となります。

OpenSBIのgeneric向け、payload付きバイナリのメモリマップ

OpenSBI全体のメモリマップを示すとこんな感じです。

デバイスツリーを配置する方法

結論からいうとOpenSBIがQEMUが配置したデバイスツリーを0x82200000にコピーします。コピーする理由が気になりますが、ざっと見た限り見当たりませんでした。PMPで保護をかけたいのかなあ？

QEMUのデバイスツリーについては前回（2024年7月23日の日記参照）説明したとおりです。QEMUは自動的にデバイスツリーを作成＆配置する機能を持っていてアドレス0x87e00000に配置します（-m 128MBの場合、メモリ量に依存してアドレスが変わる）。メモリマップはこんな感じですね。

デバイスツリーに関連するQEMUのメモリマップ

プラットフォームgeneric向けにおいて、デバイスツリーの実体は2つあります。デバイスツリーを配置する主体と方法を時系列順に並べると下記のようになります。

• QEMU: QEMU起動時に0x87e00000にデバイスツリーを配置、ブートROMコードにてレジスタa1にアドレスセット（コピーしたあとは使用しない）
• OpenSBI: 0x82200000にデバイスツリーをコピー、scratch->next_arg1にアドレスセット（Linuxに渡すのはこちらのデバイスツリー）

コピーを行うコードはこんな感じです。

//opensbi/firmware/fw_base.S

	/*
	 * Relocate Flatened Device Tree (FDT)
	 * source FDT address = previous arg1
	 * destination FDT address = next arg1
	 *
	 * Note: We will preserve a0 and a1 passed by
	 * previous booting stage.
	 */
	beqz	a1, _fdt_reloc_done
	/* Mask values in a4 */
	li	a4, 0xff
	/* t1 = destination FDT start address */
	MOV_3R	s0, a0, s1, a1, s2, a2
	call	fw_next_arg1    //★コピー先アドレスを得る（a0に格納される）★
	add	t1, a0, zero    //★t1: コピー先アドレス★
	MOV_3R	a0, s0, a1, s1, a2, s2
	beqz	t1, _fdt_reloc_done        //★コピー先アドレスが0ならコピー処理をスキップ★
	beq	t1, a1, _fdt_reloc_done    //★アドレスがコピー元 = コピー先ならコピー処理をスキップ★
	/* t0 = source FDT start address */
	add	t0, a1, zero    //★t0: コピー元アドレス★
	/* t2 = source FDT size in big-endian */
#if __riscv_xlen > 32
	lwu	t2, 4(t0)
#else
	lw	t2, 4(t0)
#endif
	/* t3 = bit[15:8] of FDT size */
	add	t3, t2, zero
	srli	t3, t3, 16
	and	t3, t3, a4
	slli	t3, t3, 8
	/* t4 = bit[23:16] of FDT size */
	add	t4, t2, zero
	srli	t4, t4, 8
	and	t4, t4, a4
	slli	t4, t4, 16
	/* t5 = bit[31:24] of FDT size */
	add	t5, t2, zero
	and	t5, t5, a4
	slli	t5, t5, 24
	/* t2 = bit[7:0] of FDT size */
	srli	t2, t2, 24
	and	t2, t2, a4
	/* t2 = FDT size in little-endian */
	or	t2, t2, t3
	or	t2, t2, t4
	or	t2, t2, t5
	/* t2 = destination FDT end address */
	add	t2, t1, t2
	/* FDT copy loop */
	ble	t2, t1, _fdt_reloc_done
_fdt_reloc_again:
	REG_L	t3, 0(t0)    //★デバイスツリーコピーのメインループ★
	REG_S	t3, 0(t1)
	add	t0, t0, __SIZEOF_POINTER__
	add	t1, t1, __SIZEOF_POINTER__
	blt	t1, t2, _fdt_reloc_again
_fdt_reloc_done:

ラベル_fdt_reloc_againの手前にある処理で、レジスタt0がコピー元アドレス（0x87e00000）、レジスタt1がコピー先アドレス（0x82200000）に設定され、_fdt_reloc_againのループにてコピーします。

デバイスツリーのアドレスを使う箇所

OpenSBIのプラットフォームgenericがデバイスツリーのアドレス（レジスタa0）を参照する方法は少なくとも2つあって、レジスタa1の参照と、scratch->next_arg1を参照する方法です。時系列順に並べると、

• PLATFORM=genericのfw_platform_init()関数: レジスタa1を直接参照する
• デバイスツリーのコピー処理: レジスタa1を直接参照する
• fw_next_arg1()関数: プラットフォーム依存、genericの場合は固定値（後述）
• C言語実装部分: scratch->next_arg1（fw_next_arg1()関数が返す結果のコピー）

プラットフォームによっても処理が違います。読んでいてややこしい部分の1つですね……。

デバイスツリーがどこからきてどこへ行くのか？がわかりました。次はデバイスツリーのアドレスを決めるもう1つの実装について調べます。

OpenSBIを調べる - QEMUのデバイスツリー

目次: Linux

OpenSBIのブート部分を調べます。OpenSBIはいくつか動作モードがあるのですが、payloadを持ったタイプを調べます。対象のファイル名はbuild/platform/generic/firmware/fw_payload.binもしくは.elfです。

今回はOpenSBIを見る前にQEMUの動作、デバイスツリーの扱いについて調べます。実行環境はQEMU RV64 virt machine（qemu-system-riscv64 -machine virt）です。突然QEMUの話をし始めた理由は、OpenSBIはQEMUからデバイスツリーを受け取るからです。OpenSBIを調べる前にQEMUがわかっていた方が理解しやすいです。

QEMUは-dtbオプションにてデバイスツリーファイルを明示的に指定できます。もし-dtbオプションを省略するとHW構成に従ってデバイスツリーを自動生成します。便利ですね。明示的に指定した場合、自動生成した場合いずれであってもQEMUのメモリの何処かにデバイスツリーのデータを展開します。

OpenSBIにデバイスツリーのアドレスを渡す方法

OpenSBIを起動するときはレジスタa0にhartid、レジスタa1にデバイスツリーのアドレスを渡す決まりがあります。

####opensbi/docs/firmware/fw.md####

OpenSBI Platform Firmwares
==========================

OpenSBI provides firmware builds for specific platforms. Different types of
firmwares are supported to deal with the differences between different platforms
early boot stage. All firmwares will execute the same initialization procedure
of the platform hardware according to the platform specific code as well as
OpenSBI generic library code. The supported firmwares type will differ in how
the arguments passed by the platform early boot stage are handled, as well as
how the boot stage following the firmware will be handled and executed.

The previous booting stage will pass information via the following registers
of RISC-V CPU:

* hartid via *a0* register
* device tree blob address in memory via *a1* register. The address must
  be aligned to 8 bytes.

（適当訳）
OpenSBIは特定のプラットフォーム用のファームウェアビルドを提供します。初期ブートローダーでの
異なるプラットフォーム間の違いに対処するため、いろいろな種類のファームウェアがサポートされています。
全てのファームウェアはプラットフォーム固有のコードとOpenSBIの汎用ライブラリのコードに従って、
プラットフォームHWの同じ初期化処理を実行します（訳注: 何を言いたいかよくわからん……）。
サポートされているファームウェアの種類は、プラットフォームの初期ブートローダーから渡された引数が
どのように処理されるかと、ファームウェアに続く起動段階がどのように処理され実行されるかによって異なります。

直前のブートローダーは、次のRISC-V CPUレジスタ経由で情報を渡します:

* レジスタa0経由でhartid
* レジスタa1経由でメモリ上のデバイスツリーブロブ（訳注: *.dtbのこと）のアドレス、アドレスは8バイトアラインが必要

QEMUの場合はブートROMコード（qemu-system-riscv64 -machine virtの場合はアドレス0x1000付近）がレジスタa1にアドレスを設定します。コードの逆アセンブルはこんな感じです。

   0x1000:      auipc   t0,0x0      //t0 <- 0x1000
   0x1004:      addi    a2,t0,40    //a2 <- 0x1028
   0x1008:      csrr    a0,mhartid  //a0 <- hartid
   0x100c:      ld      a1,32(t0)   //a1 <- 0x87e00000（アドレス0x1020の値）
   0x1010:      ld      t0,24(t0)   //t0 <- 0x80000000（アドレス0x1018の値）
   0x1014:      jr      t0          //0x80000000にジャンプ（OpenSBIの先頭）

0x1000: 0x00000297      0x02828613      0xf1402573      0x0202b583
0x1010: 0x0182b283      0x00028067      0x80000000      0x00000000
0x1020: 0x87e00000      0x00000000      0x4942534f      0x00000000
0x1030: 0x00000002      0x00000000      0x80000000      0x00000000

QEMUはリセットすると必ずブートROMコードから実行開始しますから、常にレジスタa1に0x87e00000（-m 128MBの場合、メモリ量に依存してアドレスが変わる）を設定してからOpenSBIにジャンプすることがわかります。アドレス0x87e00000付近の内容をダンプすると、

0x87e00000:     0xedfe0dd0      0x201c0000      0x38000000      0x341a0000
0x87e00010:     0x28000000      0x11000000      0x10000000      0x00000000
0x87e00020:     0xec010000      0xfc190000      0x00000000      0x00000000
0x87e00030:     0x00000000      0x00000000      0x01000000      0x00000000
0x87e00040:     0x03000000      0x04000000      0x1d000000      0x02000000
0x87e00050:     0x03000000      0x04000000      0x11000000      0x02000000
0x87e00060:     0x03000000      0x0d000000      0x06000000      0x63736972
0x87e00070:     0x69762d76      0x6f697472      0x6d657100      0x03000000

なるほど、このデータはデバイスツリーですね……と思える人は相当デバイスツリー通です。私はわかりませんので、データが何者か調べるため先頭にある謎の値0xedfe0dd0に注目します。

デバイスツリーのドキュメント（5. Flattened Devicetree (DTB) Format）を見るとヘッダは下記のようになっています。先頭のmagicメンバーはマジックナンバーであり、ビッグエンディアンの0xd00dfeedでなければならないと記述されています。

struct fdt_header {
    uint32_t magic;
    uint32_t totalsize;
    uint32_t off_dt_struct;
    uint32_t off_dt_strings;
    uint32_t off_mem_rsvmap;
    uint32_t version;
    uint32_t last_comp_version;
    uint32_t boot_cpuid_phys;
    uint32_t size_dt_strings;
    uint32_t size_dt_struct;
};

メモリ上にあった謎の値0xedfe0dd0をビッグエンディアンで解釈すると0xd00dfeedとなり、struct fdt_headerのマジックナンバーと一致しました。このデータはきっとデバイスツリーでしょう。

まとめるとQEMU（qemu-system-riscv64 -machine virt）のブートROMコードは、

• 起動オプションに応じてデバイスツリーを自動生成して0x87e00000に配置（アドレスはメモリ量依存で変わる）
• もしくは-dtbオプションに指定した*.dtbファイルを0x87e00000に配置
• ROMブートコードでデバイスツリー先頭のアドレスをレジスタa1に格納

このような動作をします。

QEMUが自動生成するデバイスツリーをダンプ

QEMUが自動生成したデバイスツリーをファイルにダンプする方法をメモしておきます。簡単に言えばQEMU Monitorでdumpdtb (file名)コマンドを実行すればダンプできます。

QEMU Monitorを使うにはいくつか手があります。グラフィック環境が使えるなら-nographicと-monオプションを外し、ウインドウから入力するのが一番早いでしょう。

# グラフィック環境が使えるとき

./qemu-system-riscv64 \
  -machine virt \
  -bios none \
  -chardev stdio,id=con,mux=on \
  -serial chardev:con \
  -smp 4

こんなウインドウが表示されるはずです。

QEMU Monitor（GUI）

グラフィック環境がない場合はシリアル出力を一時的に無効化して、-monを標準入出力に振り向けると使えるようです。

# グラフィック環境が使えないとき

./qemu-system-riscv64 \
  -machine virt \
  -bios none \
  -nographic \
  -chardev stdio,id=con,mux=on \
  -chardev null,id=none,mux=on \
  -serial chardev:none \
  -mon chardev=con,mode=readline \
  -smp 4

QEMU 9.0.2 monitor - type 'help' for more information
(qemu) dumpdtb virt.dtb
info: dtb dumped to virt.dtb
(qemu) 

もっとスマートなやり方がありそうですけど……使えればよしとしましょう。

QEMUは起動時にデバイスツリーを自動生成もしくはファイルからロードしてくれることがわかりました。次回はOpenSBIでデバイスツリーをどう扱っているか調べたいと思います。

OpenSBIを調べる - メモリマップその2

目次: Linux

OpenSBIのブート部分を調べます。OpenSBIはいくつか動作モードがあるのですが、payloadを持ったタイプを調べます。対象のファイル名はbuild/platform/generic/firmware/fw_payload.binもしくは.elfです。

今回はメモリマップについて調べます。

前回（2024年7月19日の日記参照）説明したとおり、バイナリのメモリマップを決めるのはリンカースクリプトfw_payload.elf.ldSです。FW_TEXT_STARTがメモリマップの開始アドレスですが、OpenSBI 1.5からはPIEになったためFW_TEXT_START=0x0です。したがって開始アドレスは0x0です。

リンカースクリプトを図に起こすとこんな感じです。

OpenSBIのgeneric向け、payload付きバイナリのメモリマップ

読み取り専用データ（.rodataセクションなど）に続く謎の隙間があります。これはPMP（Physical Memory Protection、RISC-Vのメモリ保護機構）の領域サイズを2のべき乗にするためにわざと空けている隙間です。

/* opensbi/firmware/fw_base.ldS */

	/*
	 * PMP regions must be to be power-of-2. RX/RW will have separate
	 * regions, so ensure that the split is power-of-2.
	 */
	. = ALIGN(1 << LOG2CEIL((SIZEOF(.rodata) + SIZEOF(.text)
				+ SIZEOF(.dynsym) + SIZEOF(.rela.dyn))));

	PROVIDE(_fw_rw_start = .);

	/* Beginning of the read-write data sections */

	.data :
	{

私の環境でビルドした場合は.textや.rodataセクションの合計サイズが0x31bc8でした。この値に最も近い2のべき乗の2^18 = 0x40000が選択されます。

読み書き用データ（.dataセクションなど）の後にも謎の隙間があります。これはペイロードを配置するアドレスがプラットフォームによって固定されているためです。

/* opensbi/firmware/fw_payload.ldS */

#ifdef FW_PAYLOAD_OFFSET
	. = FW_TEXT_START + FW_PAYLOAD_OFFSET;
#else
	. = ALIGN(FW_PAYLOAD_ALIGN);
#endif

	.payload :
	{

FW_PAYLOAD_OFFSETが定義されていれば、ペイロードの開始アドレスはFW_TEXT_START + FW_PAYLOAD_OFFSETです。OpenSBI 1.5ではFW_TEXT_STARTは0x0です。FW_PAYLOAD_OFFSETはplatformのMakefileで値が決まっていて、firmwareのMakefileでマクロとして定義されます。

# opensbi/platform/generic/objects.mk

ifeq ($(PLATFORM_RISCV_XLEN), 32)
  # This needs to be 4MB aligned for 32-bit system
  FW_PAYLOAD_OFFSET=0x400000
else
  # This needs to be 2MB aligned for 64-bit system
  FW_PAYLOAD_OFFSET=0x200000
endif


# opensbi/firmware/objects.mk

ifdef FW_PAYLOAD_OFFSET
firmware-genflags-$(FW_PAYLOAD) += -DFW_PAYLOAD_OFFSET=$(FW_PAYLOAD_OFFSET)
endif

以前（2024年7月19日の日記参照）_fw_endの後ろの領域をスタック領域やヒープ領域として使っていると説明しました、再掲すると、

• バイナリの終端: _fw_end
• スタック領域: (hart数:platform.hart_count) x (hartごとのスタックサイズ:platform.hart_stack_size)バイト
• ヒープ領域: platform.heap_sizeバイト

この説明を読んで、領域を勝手に使ってよいのか？何か別の領域が続いているのではないか？と疑問に思われた方はするどいです。が、ご安心ください、読み書き用データとペイロードの間の隙間を使っています。

個人的にはFW_PAYLOAD_OFFSETが決め打ちなのが若干気になりますが、0x200000 = 2MBあれば、256hart分（256 x 4KB = 1MB）のスタック領域は余裕で確保できますし、読み取り専用＋読み書き用データ領域のサイズもよほど変な実装を加えない限り1MBも行かないでしょう。たぶん……。

OpenSBIを調べる - メモリマップ

目次: Linux

OpenSBIのブート部分を調べます。OpenSBIはいくつか動作モードがあるのですが、payloadを持ったタイプを調べます。対象のファイル名はbuild/platform/generic/firmware/fw_payload.binもしくは.elfです。

今回はメモリマップについて調べます。調べている途中で気づいたのですがOpenSBI 1.4と1.5で変わっている部分があるので、その話もしたいと思います。

/* opensbi/firmware/fw_payload.elf.ldS */

OUTPUT_ARCH(riscv)
ENTRY(_start)

SECTIONS
{
	#include "fw_base.ldS"

...


/* opensbi/firmware/fw_base.ldS */

	. = FW_TEXT_START;
	/* Don't add any section between FW_TEXT_START and _fw_start */
	PROVIDE(_fw_start = .);

...

バイナリのメモリマップを決めるのはリンカースクリプトfw_payload.elf.ldSです。fw_base.ldSは各モード共通で使われるリンカースクリプトです。FW_TEXT_STARTがメモリマップの開始アドレスとなります。

FW_TEXT_STARTが定義されている場所はMakefileで、

# opensbi/firmware/objects.mk

ifdef FW_TEXT_START
firmware-genflags-y += -DFW_TEXT_START=$(FW_TEXT_START)
else
firmware-genflags-y += -DFW_TEXT_START=0x0
endif

FW_TEXT_STARTが定義されていればその値を使い、未定義ならば0x0です。

QEMU向けにビルドする場合はPLATFORM=genericと指定しました。このときMakefileはplatform/generic/objects.mkが使用されますが、FW_TEXT_STARTの定義がOpenSBI 1.4と1.5で違います。

# platform/generic/objects.mk (OpenSBI 1.4)

# Blobs to build
FW_TEXT_START=0x80000000
FW_DYNAMIC=y
FW_JUMP=y

# platform/generic/objects.mk (OpenSBI 1.5)

# Blobs to build
FW_DYNAMIC=y
FW_JUMP=y

OpenSBI 1.4ではplatform/generic/objects.mkにてFW_TEXT_START=0x80000000が定義されていました。firmware-genflags-yに追加されるオプションは前者（-DFW_TEXT_START=0x80000000）です。

OpenSBI 1.5ではplatform/generic/objects.mkにてFW_TEXT_STARTが定義されないため、firmware-genflags-yに追加されるオプションは後者（-DFW_TEXT_START=0x0）です。

QEMUのアドレス0x0にはメモリがないのになぜこの設定で動作するか？ですが、OpenSBI 1.4ではアドレス固定でしたが、OpenSBI 1.5ではPIE（Position Independent Executable、位置独立実行形式）でビルドされるため、OpenSBI 1.5はロードアドレスがどこであっても動作します。

実験してみるとわかりますが、FW_TEXT_STARTを変な値に変えても動作します。OpenSBI 1.4同様にFW_TEXT_START=0x80000000にしても動作します。

が、変更する意味はあまりないでしょう。私が思いつく範囲だと、gdbでPIEのシンボルを読みたい場合はsymbol-file (file) -o 0x80000000のようにしますが、FW_TEXT_START=0x80000000にしておくとこのコマンドを一々入力せず済む、くらいです。他にも何かあれば教えていただけると嬉しいです。

メモリマップと言いつつエントリアドレスしか説明していなかったので、次回はエントリアドレス以降のメモリマップも調べたいと思います。