Boom环境的搭建

叶福

2023-12-01

Boom环境的搭建

关于RISCV的综述介绍，请参看本链接
此安装步骤基于 Ubuntu 16.04
从github上clone的Boom不可以直接运行，需要Rocket Chip Generator以及riscv-tool工具链

ucb riscv实验教程

riscv工具可以生成Verilog的仿真器
所有的export请自行添加至~/.bashrc
本步骤尚不完善，后续及时更新，
如有任何建议，请联系lpn709695399@163.com.

安装步骤

1. 请先安装jdk，vcs（密码: 22f2）

vcs的安装教程访问本链接

2. Rocket Chip Generator的安装

clone rocket-chip

    export TOP=~/riscv
        # pwd即为当前tools的安装路径，为方便后续工程的完整性，建议先创建riscv，
        # 以下步骤都安装在riscv目录下

    cd $TOP
    git clone https://github.com/ucb-bar/rocket-chip.git
    cd rocket-chip
    git submodule update --init

rocke chip generator 的编译过程如下

步骤转换工具
1. Chisel3 -> Firrtl sbt
2. Firrtl -> Verilog Firrtl
3. Verilog -> C++ Verilator
安装Chisel，该工具包含sbt与Firrtl

步骤	转换	工具
1.	Chisel3 -> Firrtl	sbt
2.	Firrtl -> Verilog	Firrtl
3.	Verilog -> C++	Verilator

    cd $TOP
    echo "deb https://dl.bintray.com/sbt/debian /" | sudo tee -a /etc/apt/sources.list.d/sbt.list
    sudo apt-key adv --keyserver hkp://keyserver.ubuntu.com:80 --recv 642AC823
    sudo apt-get update
    sudo apt-get install sbt

测试Chisel是否安装成功

    cd ~/Software/riscv/rocket-chip/chisel3
    sbt compile
        # compile the chisel library
    sbt test
        # run the included unit tests

3. Toolchain的安装

添加环境变量至~/.bashrc

    export RISCV=$TOP/rocket-chip/riscv-tools/riscv-tc
        # 改路径为工具链的安装路径
    export PATH=$PATH:$RISCV/bin

安装依赖项，生成工具链
当前仿真器的编译需要工具链版本为6.1
- riscv-gnu-toolchain riscv-V 的交叉编译工具
- riscv-fesvr “front-end” server，通过Host-Target Interface(HTIF)* ，负责host和target处理器间的services calls，提供虚拟的控制台和disk设备
- riscv-isa-sim ISA的simulator和执行的”golden standard”
- riscv-opcodes 模拟器所有可执行的riscv-V操作码
- riscv-pk 代理核服务通过RISC-V Newlib port编译链接的代码所生成的services system * calls
- riscv-tests 一些assembly示例和benchmarks

    cd $TOP/rocket-chip/riscv-tools
    git submodule update --init --recursive

    # 安装各种依赖项
    sudo apt-get install autoconf automake autotools-dev curl device-tree-compiler libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev libusb-1.0-0-dev gawk build-essential bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc zlib1g-dev

    # 生成各种工具
    ./build.sh

测试工具链是否安装成功，采用riscv的模拟器spike

    cd $TOP
    echo -e '#include <stdio.h>\n int main(void) { printf("Hello world!\\n"); return 0; }' > hello.c
    riscv64-unknown-elf-gcc -o hello hello.c
    spike pk hello
    # 这里之所以需要pk，是因为程序中有printf，该命令需要系统调用
    # spike可以找到相对应的$RISCV/riscv-elf/bin/pk

4. 切换到Boom分支

checkout boom

    cd $TOP/rocket-chip
    git checkout boom
    git submodule update --init

生成C模拟器（若想观察Boom的流水线，跳过此块）

    cd emulator
    make CONFIG=BOOMConfig
    # 若想测试benchmark和isa，make run CONFIG=BOOMConfig

Boom可乱序执行，可以安装gem5，以便观察pipeline

    sudo apt-get install gem5
    gvim boom/src/main/scala/consts.scala
        # 启用pipeline trace
        # val O3PIPEVIEW_PRINTF   = true  // dump trace for O3PipeView from gem5
    cd emulator
    make output/towers.riscv.out
        # 运行benchmark中的towers

    cd ../
    boom/util/pipeview-helper.py -f emulator/output/rv64mi-p-scall.out > cleaned_trace.out
        # 这里Python用的是2.x版本
    ~/Software/gem5/util/o3-pipeview.py --color --store_completions -o pipeview.out cleaned_trace.out
    less -r pipeview.out
        # 观察pipeline，q可退出

生成Verilog模拟器

    cd vsim
    make

5. 安装Vivado，请参看vivado安装教程

6. FPGA必要文件的生成

Boom的FPGA实验采用Xilinx的ZC706，以下路径中均以该型号示例，其他型号请参看源链接
ucv-bar/fpga-zynq还未跟进，目前以donggyukim/fpga-zynq示例

clone fpgq-zynq，仍在$(TOP)目录下，将编译好的代码拷贝到该环境中

    cd $TOP
    git clone https://github.com/donggyukim/fpga-zynq.git
    gvim common/Makefrag
        # ROCKET_DIR ?= $TOP/rocket-chip
        # 如此一来，就将该环境下的rocket设置为之前运行的Rocket环境

为方便调试，该工程将对rocket例化adapter，与ARM连接，以便调试

    cd zc706
    make init-submodules
    make rocket
        # 此处生成新代码

建立Vivado项目

    make project
        # 此步骤只需要运行一次，此后修改不再执行

生成rocketchip_wrapper.bit

    cd zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig
    vivado zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig.xpr
        # 此处应保证vivado安装成功，相应的环境变量配置完善
        # 或者直接运行vivado，打开zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig.xpr
        # Program and Debug -> Generate Bitstream

* IP Integrator -> Open Block Design（主页说此步骤对于正确生成FSBL很重要）
* Program and Debug -> Generate Bitstream
* 生成的bit文件在为  
`$REPO/zc706/zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig/zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig.runs/impl_1/rocketchip_wrapper.bit`
* 启动SDK之前必须File -> Export Hardware，该步骤会生成  
`$REPO/zc706/zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig/zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig.sdk`
* File -> Launch SDK

安装依赖项

    sudo apt-get install lib32z1 lib32ncurses5 libbz2-1.0:i386 lib32stdc++6
        # 在下一步编译FSBL（First Stage Bootloader）时需要安装的依赖项

生成FSBL.elf
- 进入SDK界面
- File -> New -> Application Project
- 项目起名 FSBL -> Next
- 选择 Zynq FSBL -> Finish
自动编译，编译过程中遇到部分undefined reference，从FSBL_bsp下的libsrc中拷贝到FSBL的src中即可
如有更好的解决办法，请告知我

添加环境变量

    export PATH=$SDK_HOME/gnu/arm/lin/bin:$PATH

编译工具需要依赖项openssl，部分系统中没有

    sudo apt-get install libssl-dev

注释Makefile中冗余错误提示代码

    #   $(srctree)/scripts/check-config.sh u-boot.cfg \
    #       $(srctree)/scripts/config_whitelist.txt ${srctree} 1>&2
    #   # 参考 http://www.100ask.org/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=15932

注释Vivado关于LD_LIBRA_PATH的设置

    gvim $VIVADO_HOME/.settings64-Vivado.sh
    # 注释掉所有LD_LIBRA_PATH的设置

LD_LIBRA_PATH为全局设置，影响shell运行时的所有命令
该参数主要针对需要使用Vivado库的AXI BFM而设置
在使用时，部分库文件会发生冲突，如

sybol lookup error: awk: undefined symbol: mpfr_z_sub
参考 https://www.xilinx.com/support/answers/66998.html

生成 u-boot.elf

    cd ../zc706
    make arm-uboot
    # 此处会clone u-boot-xlnx
    # 若您通过浏览器下载，请注释掉common/Makefrag中的
    # git submodule update --init $(uboot_dir)

生成boot.bin
- 回到SDK，Xilinx Tools -> Create Zynq Boot Image
- 输出路径为：$REPO/zc706/deliver_output，此路径存放后续往SD卡烧写的文件（若没有，请创建）
- 按序进行以下操作，否则会出错：
  1. Add -> $REPO/zc706/zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig/zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig.sdk/FSBL/Debug/FSBL.elf
  2. 选择Partition type为bootloader，否则工具会自动改为datafile，导致生成失效
  3. Add -> $REPO/zc706/zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig/zc706_rocketchip_BOOMZynqConfig.runs/impl_1/rocketchip_wrapper.bit
  4. 选择Partition type为datafile
  5. Add -> $REPO/zc706/soft_build/u-boot.elf
  6. 选择Partition type为datafile
- Create Image，BOOT.bin生成到$REPO/zc706/deliver_output
- 若后续对工程进行修改，之前的操作不用再手动执行，可以依据output.bif直接运行

     make deliver_output/boot.bin

clone linux-xlnx

    # 执行此步骤是因为后续在make arm-linux中
    # git submodule update --init $(arm_linux_dir)
    # 可能不能正确执行，若您的环境可以，便可以不执行此操作
    # 若您通过浏览器下载，请注释掉Makefile中的这行
    cd ../common
    git clone https://github.com/Xilinx/linux-xlnx.git
    cd linux-xlnx
    git submodule update --init --recursive

生成uImage
- 将在Zynq的ARM核中启动Linux，生成linux的备份

    make arm-linux

生成devicetree.dtb
- linux将用该文件初始化ARM核的各种外设

    make arm-dtb

此时deliver_output文件夹应有以下三部分
- BOOT.bin - (the filename is case insensitive, you may see boot.bin). This contains the FSBL, the bitstream with Rocket, and u-boot.
- uImage - Linux for the ARM PS
- devicetree.dtb - Contains information about the ARM core’s peripherals for linux.
获取ARM上linux的文件系统

    make fetch-ramdisk
        # 如果不能运行，从Makefile中找到对应链接，通过浏览器下载，拷贝到deliver_output

将deliver_output文件拷贝到SD卡的根目录下
- SD_ROOT/
- |-> boot.bin
- |-> devicetree.dtb
- |-> uImage
- |-> uramdisk.image.gz
到目前为止，已经生成了在Rocket上运行binaries的环境，此处可以测试FPGA环境是否搭建成功了

7. Linux Kernel的生成

当前仿真器的编译需要工具链版本为6.1，vmlinux的生成需要工具链版本为7.1，查看工具链版本最方法为riscv64-unknown-linux-gnu-gcc -v
安装6.1版本与之前的6.1安装方法一致，但要注意安装路径不同，环境变量RISCV的设置（可以通过备份两份bashrc，一份编译emulator，一份编译vmlinux）

Linux Kernel的获取方式有两种
一. 获取源代码进行编译，参考riscv-tools的教程
1. 生成编译环境

编译riscv64-unknown-linux-gnu-gcc，这是从Newlib到GNU C的交叉编译，可以通过riscv64-unknown-elf-gcc来编译系统，但是应用就需要通过riscv64-unknown-linux-gnu-gcc来编译了

    cd $TOP/riscv-tools/riscv-gnu-toolchain
    ./configure --prefix=$RISCV
        # 生成相应的Makefile
    make linux

    * **编译linux**

    cd $TOP
    git clone https://github.com/riscv/riscv-linux.git riscv-linux
        # 此环境尚不稳定，可以下载其他分支
        # git clone https://github.com/riscv/riscv-linux.git -b riscv-for-submission-v7 riscv-linux
    gvim ~/.bashrc 
        # 将riscv64-unknown-linux-gnu-gcc的路径添加至环境变量
        #   export PATH=$PATH:~/riscv/rocket-chip/riscv-tools/riscv/bin
    source ~/.bashrc

    * **配置linux**

    cd riscv-linux
    make ARCH=riscv defconfig
    sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev
        # 安装依赖项
    make ARCH=riscv menuconfig
        # 图形界面可以配置相应的参数，后续将详述，改配置可以改变.config文件
    gvim .config
        # 置 CONFIG_CROSS_COMPILE="riscv64-unknown-linux-gnu-"
    make -j8 ARCH=riscv
        # 若没有设置交叉编译选项，请运行
        # # make -j8 ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-unknown-linux-gnu-

    2. BusyBox，用来配置init和ash applets

    cd ../
    curl -L http://busybox.net/downloads/busybox-1.26.2.tar.bz2 > busybox-1.26.2.tar.bz2
    tar xvjf busybox-1.26.2.tar.bz2

    cd busybox-1.26.2
    make allnoconfig
        # 关闭默认配置
    make ARCH=riscv menuconfig
        # 找到相应的选项，并配置
        # CONFIG_STATIC=y, listed as "Build BusyBox as a static binary (no shared libs)" in BusyBox Settings → Build Options
        # CONFIG_CROSS_COMPILER_PREFIX=riscv64-unknown-linux-gnu-, listed   "Cross Compiler prefix" in BusyBox Settings → Build Options
        # CONFIG_FEATURE_INSTALLER=y, listed as "Support --install [-s] install applet links at runtime" in BusyBox Settings → Include busybox applet
        # CONFIG_INIT=y, listed as "init" in Init utilities
        # CONFIG_ASH=y, listed as "ash" in Shells
        # CONFIG_ASH_JOB_CONTROL=n, listed as "Job control" in Shells
        # CONFIG_MOUNT=y, listed as "mount" in Linux System Utilities
        # CONFIG_FEATURE_USE_INITTAB=y, listed as "Support reading an inittab file" in Init Utilities

        # Applets栏中Coreutils可以选择echo，ls等命令是否可以运
    make -j8
        # 此后，RISC-V上就可以运行BusyBox了

    3. 采用root disk image，将Kernel链接到BusyBox

    cd $TOP/riscv-linux
    mkdir root
    cd root
    mkdir -p bin etc dev lib proc sbin sys tmp usr usr/bin usr/lib usr/sbin
    cp $TOP/busybox-1.26.2/busybox bin

    gvim etc/inittab
        # 添加以下四行（去掉‘#’）
        # ::sysinit:/bin/busybox mount -t proc proc /proc
        # ::sysinit:/bin/busybox mount -t tmpfs tmpfs /tmp
        # ::sysinit:/bin/busybox mount -o remount,rw /dev/htifblk0 /
        # ::sysinit:/bin/busybox --install -s
        # /dev/console::sysinit:-/bin/ash

    ln -s ../bin/busybox sbin/init
    ln -s sbin/init init
        # lrwxrwxrwx 1  init -> sbin/init
        # cd sbin ...
        # lrwxrwxrwx 1  init -> ../bin/busybox

    sudo mknod dev/console c 5 1
        # 控制台

    find . | cpio --quiet -o -H newc > $TOP/riscv-linux/rootfs.cpio
        # intramfs
    cd ..
    make ARCH=riscv menuconfig
        # General Setup -> Initial RAM filesystem and RAM disk -> Initramfs source file -> Input "rootfs.cpio" -> Exit

    4. 重新编译riscv-linux和riscv-pk

    cd $TOP/riscv-tools/riscv-pk
        # pk 中包含Berkeley Boot Loader，即bbl，
    mkdir build
    cd build
    rm -rf *

    ../configure --prefix=$RISCV --host=riscv64-unknown-linux-gnu --with-payload=$TOP/riscv-linux/vmlinux

    make
    make install

    5. 采用spike模拟器启动linux

    spike bbl vmlinux

二. 下载已经编译好的Binary和Root FS

    make fetch-riscv-linux-deliver
        # 若无法下载，同样通过浏览器下载即可

8. FPGA启动操作系统

在6中已将必要文件生成

将相关文件拷入SD卡
在win环境下安装CP210x_windows_drivers、Tera Term串口调试工具

相关资料请参考ug961-zc706-GSG、ug1033-cp210x-usb-uart-install、xtp242-zc706-bist-c-2015-4
将SD卡插入ZC706，将SW3/SW4拨起（SD卡启动）
boot.bin中有相应的硬件bit文件、操作系统等
在ARM将操作系统启动后，输入

    ./fesvr-zynq pk hello
    # 测试RISCV核是否可以正常运行

    ./fesvr-zynq bbl
    # 启动RISCV的操作系统

启动RISCV的操作系统后可以查看核的部分信息

    cat /etc/cpuinfo
    cat /etc/meminfo
    # ...

后记

在安装过程中可能会遇到各种编译不通过，大多数情况下会是因为github上工程在更新，尝试切换到别的分支
定位问题的过程中记得巧用find和grep语句

Boom环境的搭建

Boom环境的搭建

目录

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安装步骤

1. 请先安装jdk，vcs（密码: 22f2）

2. Rocket Chip Generator的安装

3. Toolchain的安装

4. 切换到Boom分支

5. 安装Vivado，请参看vivado安装教程

6. FPGA必要文件的生成

7. Linux Kernel的生成

8. FPGA启动操作系统

后记

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