RV64 异构多核处理器下实现RT-Thread和Linux 同时运行

Posted 2021-11-12 RT-Thread物联网操作系统

注：这是一个由中国科学院软件研究所合作资助的开源项目，RT-Thread社区参与，并推动更新到upstream。这个过程中也得到了张健，董波（无锡控博），李志锐（厦门大学）的支持，这里一并表示感谢。

RISC-V指令集架构在这几年中异军突起，受到大家广泛的关注，认可，参与，实践。越来越多的厂商选择使用RISC-V，从单独实验性芯片的尝试，到备份芯片，到辅助芯片，到独立芯片，一步步应用到实际的产业应用领域。例如最近平头哥就针对低端到中高端发布了开源的RISC-V处理器IP core，E902（RV32），E906（带cache的RV32），C906（单核RV64），C910（多核RV64），同时在上面也支持Linux，RT-Thread等开源操作系统。

与此同时RT-Thread团队也看到了未来异构多核芯片领域会有更多的应用需求，和中国科学院软件研究所的想法不谋而合，融合RISC-V的异构多核系统这个项目就是在这样的一个背景下产生，所以双方联合来推进，并一起推进到系列开源项目的upstream，让更多人易于使用，让产业界受益。

架构说明

本项目以qemu模拟的虚拟硬件：qemu-riscv64-virt为硬件平台，上面具备Dual RV64 core，分别运行Linux和RTOS（RT-Thread）。对于这类应用，RV64在运行时会涉及到三种运行模式，M-Mode，S-Modem，U-Mode，如下面的架构图。

M-Mode模式，机器模式，一般会运行一些简单的程序；如果芯片只包含机器模式，可以运行一些裸机程序或者RTOS，多见于MCU芯片；

H-Mode模式，是虚拟化运行模式，此种情况下未涉及，后续不过多提及；

S-Mode, Supervisor Mode模式是管理者模式，用于运行例如Linux内核的操作系统内核；

U-Mode模式，是用户模式，运行用户态应用程序；而对于RTOS来说，一般不会运行在层。

在这样的方式下，硬件底层是RV64的双核，分别运行Linux和RTOS操作系统，整体的架构如下所示：

在这样的方式下，可以由Linux来完成一些复杂的工作，例如存储，网络，显示等；而RTOS则可以用于实时控制，这里运行RT-Thread开源操作系统。在Linux和RTOS之间，可以通过标准的OpenAMP框架进行通信，异系统间的数据交互。

OpenAMP说明

OpenAMP是Xilinx和Mentor Graphic于2014年发起的一个开源项目，旨在提供一份协处理器的标准通信框架。OpenAMP是对Ohad Ben-Cohen在2011年Linux 3.4.1引入的RPmsg, RemoteProc的在异构处理器上的实现，并采用BSD许可协议开源。

lRemoteProc用于Linux作为master来控制和管理协处理器，对协处理器进行power off/on，reset，load firmware等管理操作；

lRPmsg用于多系统间的IPC消息交互。

OpenAMP本身包括几个部分：

llibmetal，主要涉及OpenAMP在不同底层系统上的对接，分成了对Linux，RTOS及裸机的支持。

lopen-amp，提供对virtio，rpmsg，remoteproc等的实现；

OpenAMP本身以cmake方式编译，因为原来只包括arm方式的交叉编译方式，所以这个项目中加入对risc-v交叉编译方式的支持。默认WITH_PROXY等相关的特性关闭。

编译 & 运行

针对这样一套多操作系统的异构系统，我们把它命名成pomegranate(石榴，喻意多子，多系统)，单独放在github和gitee上，可以按照仓库中的方式进行编译，并使用起来：

https://github.com/RT-Thread/rtthread-pomegranate

假设在Ubuntu 18.04上，来编译和使用，需要先把pomegranate clone到本地，例如使用github：

git clone --recursive https://github.com/RT-Thread/rtthread-pomegranate

然后运行下面的脚本，先把需要的标准包下载下来，并展开：

./dn_prepare.sh

这个脚本会自动下载需要用到的代码，例如Linux，u-boot，qemu等，以及工具链（针对Linux的工具链，针对RT-Thread的工具链等），并对需要打补丁的代码进行打补丁。

然后编译只需要执行下面的shell脚本：

./build.sh

执行build.sh时，它会分别对涉及到软件包进行编译，例如opensbi，u-boot，Linux，open-amp，RT-Thread等，编译无误会生成相应的程序文件，及把应用程序复制到Linux的rootfs中。

其中对于一些可以单独运行的软件，例如opensbi、u-boot、Linux、RT-Thread等，在各自分别的目录下有一份run.sh，执行即可使用qemu模拟器来模拟运行。

./run.sh

这份QEMU做了简单的改造，模拟出来两份串口分别给Linux和RT-Thread使用。RT-Thread进行简单的修改，可以让它运行在S-Mode下，并支持运行在任意核上。OpenAMP上支持RISC-V方式的交叉编译等。这部分代码后续都会推进到各自的upstream端。

未来展望

异构多核处理器并不是一个新事物，例如在ARM芯片上已经存在大量的Cortex-A核+Cortex-M/R核芯片，并应用于各类领域，如手机基带处理器，实时工业控制处理器，车载MPU安全处理器。在一颗芯片上同时具备ARM核 + RISC-V核的芯片也逐步出现，OpenAMP是搭建起异构系统间软通信的一座桥梁，未来可能还不仅限于此，会让Cortex-A + Cortex-M/R或 RISC-V处理器在使用上更便利，甚至感受不到异构的存在，在多系统间融合，甚至程序的无缝迁移。

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