Как научить эмулятор общаться: путь к запуску Linux на RISC-V

Инвестиционная стратегия

Современное программное обеспечение активно использует эмуляторы для разработки, тестирования и экспериментальных исследований. Одним из захватывающих направлений является разработка собственных эмуляторов архитектуры RISC-V — открытой и перспективной платформы с поддержкой 64-битной адресации. Однако создание работающего эмулятора, способного запустить полноценную операционную систему, такую как Linux, требует не только реализации набора инструкций, но и умения «разговаривать» с внешним миром: корректно обрабатывать ввод-вывод и поддерживать взаимодействие с устройствами. В этой статье мы подробно рассмотрим, как научить эмулятор «общаться» посредством реализации памяти, устройств ввода-вывода и системы описания оборудования, в частности, используя язык программирования Zig и утилиту OpenSBI. Строительство эмулятора начинается с имитации центрального процессора, поддерживающего набор команд RV64GC.

На заре разработки важно добиться совокупного прохождения архитектурных тестов, подтверждающих корректность исполнения команд и управление режимами. Однако запуск тестов — лишь первый шаг. Настоящая задача — дать эмулятору возможность запускать сложное программное обеспечение, способное работать в реальных условиях. Для этого нужно как минимум предусмотреть возможность обмена данными с «внешним» миром — реализации памяти и устройств ввода-вывода через механизм memory-mapped I/O (MMIO). Рассмотрим, что значит память в контексте RISC-V.

Архитектура RV64I предполагает 56-битный физический адресный пространство, что соответствует огромному объему 64 петабайт. Очевидно, в реальных системах такой объем не доступен. Обычно выделяется меньший объем — в тестовой конфигурации QEMU это 1 гигабайт RAM на участке адресов от 0x80000000 до 0xbfffffff. Остальная часть пространства подлежит назначению под MMIO-устройства, которые выглядят для процессора почти так же, как обычная память, но с особой логикой обработки. Unplugged-карта MMIO включает разные устройства.

Среди них присутствует контроллер прерываний PLIC, локальный прерыватель CLINT, виртуальные устройства по определению virtio и, конечно, сериальный порт – NS16550A UART. Его реализация и настройка важна для вывода отладочной информации и обеспечения взаимодействия с системой ввода-вывода. Без него полноценный запуск Linux невозможен. Обратимся к описанию аппаратных устройств через device tree — стандартный формат, описывающий устройства, доступные системному программному обеспечению. Device tree упрощает ОС понимание конфигурации виртуальной и физической платформы.

Создание корректного device tree начинается с определения корневого узла со спецификацией ячеек адреса и размера, и включает такие разделы, как memory (основная память) и cpus (процессорные ядра). Описание памяти с помощью свойства reg предусматривает точное указание диапазона, например 2 гигабайта с адреса 0x80000000. Это позволяет операционной системе знать, где располагается доступная память. Аналогично, для CPU описывается регистр идентификатор ядра, поддерживаемый набор команд и тип MMU. Практика доказала, что важно уделять внимание точности написания свойств — одна неверная буква, например mmu_type вместо mmu-type, может привести к полной неработоспособности ОС.

Без коммуникации через сериальный порт сопровождение загрузки и запуск ОС невозможны. В качестве решения выбрали эмуляцию NS16550A UART, популярного и достаточно детально описанного интерфейса. Устройство имеет фиксированный набор регистров, смещенных относительно базового адреса — обычно 0x10000000. Важным является ограничение на поддерживаемый размер операций — достаточно реализовать обработку байтовых обращений. Это снижает сложность и покрывает требования стандартных драйверов во время загрузки.

Но чтобы OpenSBI и U-Boot знали о наличии такого устройства, его адрес и параметры должны быть прописаны в Device Tree. Здесь вносится узел soc с адресными контейнерами и свойствами, определяющими расположение и типы устройств. Включение секции chosen со ссылкой на конкретный узел с помощью stdout-path &serial позволяет установить маршрутизацию вывода консоли на UART. После правильной компиляции и назначения device tree эмулятор выводит приветствие OpenSBI и начинает загружать U-Boot, что говорит об успешной синхронизации аппаратного описания и загрузчика. Продвинутые этапы требуют отладки возникающих ошибок.

Примером может служить ошибка ENODEV от U-Boot — код ошибки, означающий «устройство не найдено». Точный разбор показывает, что CPU отключён в device tree, потому что свойство mmu-type ошибочно написано. В подобных ситуациях очень полезны инструменты отладки, включая собственные watchpoints на регистры, так как традиционный GDB Stub может не поддерживать нужные возможности. Поддержка таймера — ключевой элемент для запуска операционных систем. Устройство CLINT обеспечивает таймер и межпроцессорные прерывания.

В реализации mimicking QEMU используется адресное пространство 0x2000000 для блоков mtime и mtimecmp. Кроме того, значение таймера доступно к исполнению команд чтения CSR time, используемых загрузчиком для отсчёта времени и задержек. Эмуляция таких регистров и их интеграция позволяют U-Boot дождаться и выполнить countdown перед запуском ядра. Наконец, для удобства управления эмулятором важно предусмотреть возможность корректного завершения через системные вызовы poweroff и reboot. Проще всего — реализовать специальное устройство syscon с поддержкой записей с магическими кодами (0x5555 для выключения, 0x7777 для перезагрузки).

Добавление таких узлов в device tree согласует ожидания программного обеспечения и даёт возможность завершить эмуляцию в комфортном режиме. Вся изложенная последовательность построения взаимодействий между ядром, загрузчиком и эмулятором показывает, что глубокое погружение в спецификации, внимательное изучение существующих решений (например, QEMU) и кропотливая отладка становятся основой успешной реализации. Реализация serial port, корректное составление и компиляция device tree, настройка CLINT и syscon — все эти компоненты делают возможным полноценный запуск Linux и раскрытие потенциала архитектуры RISC-V. Создание собственного эмулятора — сложный, но увлекательный путь. Важно помнить, что ошибки неизбежны, и их устранение требует терпения и системного подхода к отладке.

Использование специализированных инструментов, таких как собственные watchpoints в эмуляторе или стандартные средства отладки, ускоряет поиск проблем. Погружение в стандарты, например, форматы device tree, и изучение работы реальных систем помогают избежать распространённых ошибок и недоразумений. Путь к запуску полноценного дистрибутива Linux на эмуляторе RISC-V — это интеграция архитектурных особенностей CPU, устройства памяти, систем ввода-вывода и підтримка загрузочных компонентов OpenSBI и U-Boot. Взаимодействие этих элементов обеспечивает отражение реального аппаратного окружения, что позволяет операционной системе корректно выполнять код и работать с устройствами. В перспективе стоит задача расширения возможностей виртуальной платформы — добавление сети, поддержка дисковых устройств, внедрение высокопроизводительных интерфейсов.

При правильной архитектуре и использовании стандартизированных интерфейсов эмулятор может стать надёжной и гибкой средой для разработки и исследований на базе RISC-V. Такая реализация открывает возможности не только для обучения и отладки, но и для пристального изучения поведения операционных систем в архитектуре будущего. Полученный опыт подтверждает, что успех в создании взаимодействующей архитектуры эмулятора достигается сочетанием тщательного изучения документации, копирования проверенных решений и творческого подхода к настройке и отладке. Учиться «разговаривать» с эмулятором — значит формировать мост между программным обеспечением и аппаратурой, что является ключом к реализации полноценных вычислительных систем будущего.