RISC-V 初探

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在現在的世界，如果要講到指令集架構(ISA)，腦海中第一個想到的不是 x86 就是 ARM 或 者 MIPS，然而如果想要自己製作一個 CPU 來玩，如果不透過現有的指令集的話，要從 CPU 打造到編譯器的撰寫、Linux 的移植又會花費大量的時間，有沒有一個現成且不需要商業授 權的指令集可以直接套用呢？有，那就是 RISC-V。

RISC-V （發音為: risk-five) 是由 UC Berkeley 所發展的開源 ISA，具有大約 100 個 指令，並且提供 16、32、64、128 等多種記憶體定址方式，更酷的事情是，RISC-V 已經具 有 Linux、GCC、LLVM、Yocto 等軟體支援，也就是說，任何人都可以基於 RISC-V 製作屬 於自己的 CPU，並且可以快速移植 Linux 上去。

聽起來很棒，那麼效能如何呢? 為了確認 RISC-V 的效能，UC Berkeley 設計出了一顆名為 Rocket 的 CPU，並選用了和 ARM Cortex-A5 相同的製成，由官方 資訊 來看，RISC-V 除 了晶片面積較小以外，運算速度也比較快，更重要的事情是，功耗更低，由此可見 RISC-V 有挑戰行動領域的王者 ARM 的淺力。

下表為 RISC-V 官網上針對 Rocket 與 ARM Cortex-A5 進行的對照表:

ISA Implementation ARM Cortex-A5 RISC-V Rocket R/A
ISA Register Width 32 bits 64 bits 2
Frequency >1 GHz >1 GHz 1
Dhrystone Performance 1.57 DMIPS/MHz 1.72 DMIPS/MHz 1.1
Area excluding caches 0.27 mm² 0.14 mm² 0.5
Area with 16KB caches 0.53 mm² 0.39 mm² 0.7
Area Efficiency 2.96 DMIPS/MHz/mm² 4.41 DMIPS/MHz/mm² 1.5
Dynamic Power <0.08 mW/MHz 0.034 mW/MHz >= 0.4

聽起來很棒對不對，本文將簡單介紹如何初步認識 RISC-V 的軟體與環境。

環境建立與 toolchain 編譯

為了可以執行 RISC-V 環境，我們首先要安裝 riscv-tools 套件，裡面包含了開發用的 toolchain 以及模擬器等 repo，我們可以使用以下命令取得 riscv-tool 並編譯 

git clone https://github.com/riscv/riscv-tools.git
cd riscv-tools
git submodule update --init --recursive
export RISCV=/path/to/install/riscv/toolchain
./build.sh

在我的 Gentoo Linux 這個編譯是非常愉快的，如果你編譯失敗的話請參考 riscv-tools 的 README.md 文件。 而在 Mac OSX 下則是有已經預先編譯好的套件可以安裝，我們可以使用 homebrew 來安裝 riscv-tools 

coldnew@osx ~ $ brew tap ucb-bar/riscv && brew install riscv-tools

安裝完成後，我們系統會大致上增加以下這些命令 

coldnew@osx ~ $ ls ${RISCV}/bin
elf2hex                            riscv64-unknown-elf-gconv
fesvr-eth                          riscv64-unknown-elf-gprof
fesvr-rs232                        riscv64-unknown-elf-ld
fesvr-zenboard                     riscv64-unknown-elf-ld.bfd
riscv64-unknown-elf-addr2line      riscv64-unknown-elf-nm
riscv64-unknown-elf-ar             riscv64-unknown-elf-nm
riscv64-unknown-elf-as             riscv64-unknown-elf-objcopy
riscv64-unknown-elf-c++            riscv64-unknown-elf-objdump
riscv64-unknown-elf-c++filt        riscv64-unknown-elf-ranlib
riscv64-unknown-elf-cpp            riscv64-unknown-elf-readelf
riscv64-unknown-elf-elfedit        riscv64-unknown-elf-size
riscv64-unknown-elf-g++            riscv64-unknown-elf-strings
riscv64-unknown-elf-gcc            riscv64-unknown-elf-strip
riscv64-unknown-elf-gcc-4.9.2      spike
riscv64-unknown-elf-gcc-ar         spike-dasm
riscv64-unknown-elf-gcc-nm         termios-xspike
riscv64-unknown-elf-gcc-ranlib     xspike

使用 Spike 來模擬編譯出來的程式

當你的 toolchain 編譯/安裝完成後，就讓我們先從 Hello World 來開始玩吧，首先建立 名為 hello.c 的檔案 

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
        printf("Hello RISC-V\n");
        return 0;
}

接著使用 riscv64-unknown-elf-gcc 對其進行編譯成 hello 這個執行檔 

coldnew@osx ~ $ riscv64-unknown-elf-gcc -O2 -o hello hello.c

如果你想更深入的理解編譯出來的 hello 這個靜態編譯 (static-linked) 的執行檔內容是 什麼，你可以透過 readelf 或是 objdump 來觀察他: 

coldnew@osx ~ $ riscv64-unknown-elf-readelf -a hello | less

coldnew@osx ~ $ riscv64-unknown-elf-objdump -d hello | less

在目前的版本中，RISC-V 尚未支援 qemu-user 的功能，那我們要怎樣執行剛剛編譯出來的 hello 執行檔呢? 我們可以使用 Spkie - ISA Simulator 搭配 riscv-pk 來作為 qemu-user 的替代，執行方式如下 

coldnew@osx ~ $ spike pk hello
Hello RISC-V

使用 ANGEL 來測試 RSIC-V

ANGEL 是一款 RISC-V 基於 javascript 線上模擬器，類似 jslinux 那樣，只是模擬的平 台為 RISC-V 架構而已，你可以點擊以下連結去測試 ANGEL。

http://riscv.org/angel/

如果你對 ANGEL 有興趣，可以到這裡去看看他的原始碼: https://github.com/riscv/riscv-angel

使用 Yocto 來編譯 RISC-V Linux 系統

目前 RISC-V 雖然尚未被併入 Yocto 當中，但是 RISC-V 官方有提供 riscv-poky 好方便 我們測試 RISC-V 在 Linux 下的狀況，我們可以使用以下命令取得: 

coldnew@osx ~ $ git clone https://github.com/riscv/riscv-poky.git

接著進入該資料夾 

coldnew@osx ~ $ cd riscv-poky

再接下來則是和 Yocto 一樣的使用方式，首先先取得編譯環境用的環境變數 

coldnew@osx ~/riscv-poky $ source oe-init-build-env

接著修改一下目標平台，預設是 qemuriscv64 ，但是在本文撰寫時似乎執行 QEMU 會有 問題，因此請將 MACHINE 改為 riscv64 ，我們將使用 spike 來進行 riscv 的模擬 

coldnew@osx ~/riscv-poky/build $ vim conf/local.conf

MACHINE="riscv64"

接下來就是編譯我們想要的目標: core-image-riscv ，這邊由於包含下載程式碼以及編譯，會耗費許多時間 

coldnew@osx ~/riscv-poky/build $ bitbake core-image-riscv

在本篇文章撰寫的時候，riscv-poky 有 bug 會造成執行 spike 時不正常，因此最好不要在 conf/local.conf 加上 INHERIT += "rm_work" ，不然在執行 runspike 命令時他會 抱怨說找不到 riscv-pk 編譯出來的檔案 bbl (Berkeley Boot Loader)。


針對這個問題我已經發了 patch 來修正，請參閱: https://github.com/riscv/riscv-poky/pull/5

編譯完成後，我們就可以使用 runspike 來執行我們的 RISC-V Linux 環境 

coldnew@osx ~/riscv-poky/build $ runspike riscv64

Continuing with the following parameters:
KERNEL: [/Yocto/riscv-poky/build/tmp/deploy/images/riscv64/vmlinux-riscv64.bin]
ROOTFS: [/Yocto/riscv-poky/build/tmp/deploy/images/riscv64/core-image-riscv-riscv64-20150914130848.rootfs.ext2]
FSTYPE: [ext2]
SPIKE_BIN: [/Yocto/riscv-poky/build/tmp/sysroots/x86_64-linux/usr/bin/spike]
BBL_PATH: [/Yocto/riscv-poky/build/tmp/work/riscv64-poky-linux/riscv-pk/1.0-r0/bbl]

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.....

Poky (Yocto Project Reference Distro) 1.8+snapshot-20150914 riscv64 /dev/ttyHTIF0

riscv64 login: root
root@riscv64:~# cat /proc/cpuinfo
hart  : 0
isa : RV64G