2.2　搭建實驗環境

2.2.1　實驗2-1：輸出“Welcome to RISC-V!”

1．實驗目的

了解并熟悉如何在NEMU和QEMU模擬器上運行最簡單的BenOS程序。

2．實驗詳解

在Linux主機中安裝相關工具。

$ sudo apt-get install qemu-system-misc libncurses5-dev gcc-riscv64-linux-gnu build-essential git bison flex libssl-dev

（1）在QEMU上運行BenOS

在Linux主機上使用make命令編譯BenOS[1]。

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[1]請參考“本書約定”一章獲取下載配套參考代碼的方法。

$ cd riscv_programming_practice/chapter_2/benos
$ export board=qemu
$ make clean
$ make
 CC   build_src/uart_c.o
 CC   build_src/kernel_c.o
 AS   build_src/boot_s.o
 LD build_src/benos.elf
 OBJCOPY benos.bin
 CC   build_sbi/sbi_main_c.o
 AS   build_sbi/sbi_boot_s.o
 AS   build_sbi/sbi_payload_s.o
 LD build_sbi/mysbi.elf
 OBJCOPY mysbi.bin
 LD build_sbi/benos_payload.elf
 OBJCOPY benos_payload.bin

要想編譯能在QEMU模擬器[2]上運行的可執行二進制文件，需要先設置board=qemu。

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[2]本書使用的QEMU版本默認為Ubuntu 20.04自帶的版本（4.2.1），如讀者使用高版本QEMU時遇到問題，請參考本章實驗代碼中的說明文件：riscv_programming_practice/chapter_2/必讀.txt。

直接輸入make run命令并運行。

rlk@master:benos$ make run
qemu-system-riscv64 -nographic -machine virt -m 128M  -bios mysbi.bin -kernel benos.elf
　
Welcome RISC-V!

QEMU輸出“Welcome RISC-V!”。要關閉QEMU，可以先按 “Ctrl +A”鍵，松開，再快速按 “X”鍵。

（2）在NEMU上運行BenOS

在Linux主機上使用make命令編譯BenOS。

$ cd riscv_programming_practice/chapter_2/benos
$ export board=nemu
$ make clean
$ make
 CC   build_src/uart_c.o
 CC   build_src/kernel_c.o
 AS   build_src/boot_s.o
 LD build_src/benos.elf
 OBJCOPY benos.bin
 CC   build_sbi/sbi_main_c.o
 AS   build_sbi/sbi_boot_s.o
 AS   build_sbi/sbi_payload_s.o
 LD build_sbi/mysbi.elf
 OBJCOPY mysbi.bin
 LD build_sbi/benos_payload.elf
 OBJCOPY benos_payload.bin

要想編譯能在NEMU模擬器上運行的可執行二進制文件，需要先設置board=nemu。如果想查看更多編譯日志，可以使用make V=1命令。編譯完成之后會生成以下5個文件。

● benos.bin：BenOS可執行文件。

● benos.elf：BenOS帶調試信息的可執行與可鏈接格式（Executable and Linkable Format，ELF）文件。

● mysbi.bin：MySBI固件的可執行文件。

● mysbi.elf：MySBI帶調試信息的ELF文件。

● benos_payload.bin：把benos.bin和mysbi.bin整合到一個可執行二進制文件中。

直接輸入make run命令并運行。

rlk@master:benos$ make run
riscv64-nemu-interpreter -b benos_payload.bin
　
Welcome to riscv64-NEMU!
For help, type "help"
Welcome RISC-V!

NEMU輸出“Welcome RISC-V!”，如圖2.1所示。

圖2.1　NEMU的輸出結果

2.2.2　實驗2-2：單步調試BenOS和MySBI

本小節提供兩種單步調試BenOS和MySBI的方法。一種是使用QEMU與GDB工具，另一種是使用NEMU內置的單步調試功能。

1．使用QEMU與GDB工具

以實驗2-1為例，使用make debug命令在終端啟動QEMU虛擬機的gdbserver。

$ cd riscv_programming_practice/chapter_2/benos
$ make debug

或者直接使用如下命令啟動gdbserver。

$ qemu-system-riscv64 -nographic -machine virt -m 128M -bios mysbi.bin -kernel benos.elf -S -s

在另一個終端使用如下命令啟動GDB工具。

$ gdb-multiarch --tui benos.elf

在GDB命令行中執行如下命令。

(gdb) target remote localhost:1234
(gdb) b _start
Breakpoint 1 at 0x80200000: file src/boot.S, line 6.
(gdb) c

此時，使用GDB工具單步調試BenOS，如圖2.2所示。

圖2.2　使用GDB工具單步調試BenOS

另外，也可以通過GDB工具調試MySBI固件。為了在終端啟動QEMU虛擬機的gdbserver，使用make debug命令。

$ cd riscv_programming_practice/chapter_2/benos
$ make debug

在另一個終端使用如下命令啟動GDB工具，這時候需要加載MySBI固件的ELF文件。

$ gdb-multiarch --tui mysbi.elf

在GDB命令行中執行如下命令。

(gdb) target remote localhost:1234
(gdb) b _start
Breakpoint 1 at 0x80000000: file sbi/sbi_boot.S, line 6.
(gdb) c

此時，使用GDB工具進行單步調試，如圖2.3所示。

圖2.3　單步調試

2．NEMU內置的單步調試功能

NEMU內置了簡易調試器（Simple Debugger，SDB）。SDB是NEMU中一個非常重要的基礎設施，可以獲取程序的執行信息，以協助調試。SDB支持的命令如表2.4所示。

表2.4　SDB支持的命令

在Linux主機終端，使用make debug命令啟動SDB。

$ cd riscv_programming_practice/chapter_2/benos
$ make debug
riscv64-nemu-interpreter benos_payload.bin
Welcome to riscv64-NEMU!
For help, type "help"
(nemu)

在SDB命令行中輸入“help”，查看幫助信息，如圖2.4所示。

圖2.4　查看幫助信息

輸入“si”，進行單步調試，如圖2.5所示。

圖2.5　進行單步調試

另外，還可以通過監視點命令設置斷點，不過目前只支持為地址設置斷點。例如，在0x8020 0000地址處設置斷點。

$ make debug
　
(nemu) w $pc==0x80200000  //設置斷點
Set watchpoint #0
(nemu) c                  //繼續執行，此時NEMU停在斷點處
Hint watchpoint 0 at address 0x00000000800000a8, expr = $pc==0x80200000
old value = 0x0000000000000000
new value = 0x0000000000000001
(nemu) si                 //單步執行
0x0000000080200000:   73 10 40 10                     csrrw  $0,0x104,$0
　
Hint watchpoint 0 at address 0x0000000080200000, expr = $pc==0x80200000
old value = 0x0000000000000001
new value = 0x0000000000000000