安裝 RISC-V GNU Toolchain

RISC-V GNU Toolchain 是一個用於在 x86_64 上建立 RISC-V 程式的 GNU Toolchain。SPIKE 是 RISC-V 的 Instruction Set Simulator (ISS)，用以在 x86_64 上模擬 RISC-V 的指令集。Proxy Kernel 是一個用於在 SPIKE 上執行 RISC-V 程式的 Proxy Kernel。本文將紀錄筆者安裝 RISC-V GNU Toolchain、SPIKE 及 Proxy Kernel 的步驟。

安裝 RISC-V GNU Toolchain

本文根據 RISC-V GNU Toolchain 官方文件¹ 的步驟，示範在 Ubuntu 上安裝 RISC-V GNU Toolchain。

根據 Readme 的指示，先安裝相依套件

 sudo apt-get install autoconf automake autotools-dev curl python3 python3-pip python3-tomli libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev gawk build-essential bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc zlib1g-dev libexpat-dev ninja-build git cmake libglib2.0-dev libslirp-dev

將 RISC-V GNU Toolchain 的安裝路徑加入 PATH 環境變數

本文示範將 RISC-V GNU Toolchain 安裝在 /opt/riscv 目錄下，並將其加入 PATH 環境變數中。

在預設的情況下，/opt/riscv 目錄需要 root 權限才能寫入，因此在以下步驟中牽涉到 /opt/riscv 目錄的操作，可能需要使用 sudo 權限。以下將使用 [sudo] 來表示可能需要使用 sudo 權限的指令。

在 ~/.bashrc 或 ~/.bash_profile 中加入以下設定
```
 export RISCV=/opt/riscv  # Path to install RISC-V toolchain
 export PATH=$PATH:$RISCV/bin
```
記得重新載入設定，使設定生效
```
 source ~/.bashrc
```

取得 RISC-V GNU Toolchain 的原始碼，並進入目錄

 git clone https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain
 cd riscv-gnu-toolchain

為了將編譯的生成檔案與原始碼分開，建立一個 build 目錄，我們將在這個目錄下進行編譯
```
 mkdir build && cd build
```

若您在 Ubuntu 20.04 上執行編譯，可能會遇到無法取得 Submodule 的問題²，如下所示

Ubuntu 22.04 以後的版本請忽略此步驟

 error: Server does not allow request for unadvertised object 26f7004bf73c421c3fd5e5a6ccf470d05337b435
 Fetched in submodule path 'newlib', but it did not contain 26f7004bf73c421c3fd5e5a6ccf470d05337b435. Direct fetching of that commit failed.
 error: Server does not allow request for unadvertised object 23c84db5b3cb4e8a0d555c76e1a0ab56dc8355f3
 Fetched in submodule path 'gdb', but it did not contain 23c84db5b3cb4e8a0d555c76e1a0ab56dc8355f3. Direct fetching of that commit failed.
 error: Server does not allow request for unadvertised object 04696df09633baf97cdbbdd6e9929b9d472161d3
 Fetched in submodule path 'gcc', but it did not contain 04696df09633baf97cdbbdd6e9929b9d472161d3. Direct fetching of that commit failed.

這是由於 Ubuntu 20.04 的 Git 版本 (2.25.1) 使用的預設 Git Protocol 為 v0，而自 Ubuntu 22.04 以後的 Git 版本所使用的預設 Git Protocol 為 v2，因此在 Ubuntu 20.04 上執行編譯時會遇到無法取得 Submodule 的問題。解決方法是將 Git Protocol 設為 v2

 [sudo] git config --global protocol.version 2

在使用 make 進行編譯時使用 root 身份，會自動以 root的身份抓取 Submodule，因此需要在上方指令前加上 [sudo]，修改 root 身份的 Git Protocol 設定

生成編譯設定檔
```
 ../configure --prefix=$RISCV
```
- --prefix：指定安裝路徑，本文示範安裝在 /opt/riscv 目錄下
- 32-bit 和 64-bit 編譯³：
  - 預設編譯 RV64GC (64-bit)
  - 若要編譯 RV32GC (32-bit)，則使用
    ../configure --prefix=$RISCV --with-arch=rv32gc --with-abi=ilp32
  - 若需要同時可以編譯 32-bit 和 64-bit RISC-V 程式，則使用 Multilib 選項 (本文會使用此選項)進行示範
    ../configure --prefix=$RISCV --enable-multilib
進行編譯

Makefile 會在編譯後自動將 Toolchain 安裝在 $RISCV 目錄下，因此可能需要使用 sudo 權限進行安裝

編譯 Newlib 的 Cross-Compiler
```
 [sudo] make -j$(nproc)
```
編譯 Linux 的 Cross-Compiler
```
 [sudo] make linux -j$(nproc)
```
使用 -j$(nproc) 參數可以加速編譯，將編譯工作分散到多個 CPU 核心上進行

編譯完成後，會在 /opt/riscv/bin 目錄下看到編譯好的 RISC-V GNU Toolchain

安裝 SPIKE

SPIKE 是 RISC-V 的 Instruction Set Simulator (ISS)，用以在 x86_64 上模擬 RISC-V 的指令集。在安裝完 SPIKE 後，我們可以使用 SPIKE 來執行 bare-metal 的 RISC-V 程式。

安裝相依套件

 sudo apt-get install device-tree-compiler libboost-regex-dev libboost-system-dev

取得 SPIKE 的原始碼

 git clone https://github.com/riscv-software-src/riscv-isa-sim.git
 cd riscv-isa-sim

建立 build 目錄，並進入該目錄以進行編譯
```
 mkdir build && cd build
```

生成編譯設定檔並進行編譯

 ../configure --prefix=$RISCV
 make -j$(nproc) # compile only
 [sudo] make install # install to /opt/riscv

安裝 Proxy Kernel

若 RISC-V 程式需要使用 System Call，則需要安裝 Proxy Kernel 來提供這些 System Call，並將其轉換成 SPIKE 可以理解的指令。

取得 Proxy Kernel 的原始碼，並進入目錄

 git clone https://github.com/riscv-software-src/riscv-pk.git
 cd riscv-pk

建立 build 目錄，並進入該目錄以進行編譯
```
 mkdir build && cd build
```

生成編譯設定檔並進行編譯

 ../configure --prefix=$RISCV --host=riscv64-unknown-elf
 make -j$(nproc)
 [sudo] make install

測試

撰寫一個簡單的 C 程式

 #include <stdio.h>

 int main() {
     printf("Hello, RISC-V!\n");
     return 0;
 }

編譯 C 程式

 riscv64-unknown-elf-gcc -o hello hello.c

執行編譯好的 RISC-V 程式
```
 spike pk hello
```
若一切正常，應該可以看到 Hello, RISC-V! 的輸出