Ubuntu安装riscv-gnu-toolchain和riscv-tools

GNU toolchain（GNU工具链）是一个包含了由GNU项目所产生的各种编程工具的集合。这些工具形成了一条工具链（串行使用的一组工具），用于开发应用程序和操作系统。riscv-gnu-toolchain与普通gnu-toolchain基本相同，支持riscv32/64位指令集架构。
本文将在Ubuntu-22.04-LTS上编译riscv-gnu-toolchain

一、安装依赖包

sudo apt-get install autoconf
sudo apt-get install automake
sudo apt-get install autotools-dev
sudo apt-get install curl
sudo apt-get install python3
sudo apt-get install libmpc-dev
sudo apt-get install libmpfr-dev
sudo apt-get install libgmp-dev
sudo apt-get install gawk
sudo apt-get install build-essential
sudo apt-get install bison
sudo apt-get install flex
sudo apt-get install texinfo
sudo apt-get install gperf
sudo apt-get install libtool
sudo apt-get install patchutils
sudo apt-get install bc
sudo apt-get install zlib1g-dev
sudo apt-get install libexpat-dev
sudo apt-get install libnewlib-dev
sudo apt-get install device-tree-compiler

二、下载源码

下载riscv-gnu-toolchain

git clone https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain
cd riscv-gnu-toolchain
git submodule update --init   #递归下载子模块

整个工具链主要包括以下模块：

-GCC(GNU C Compiler)：通过“预处理-编译-汇编-链接”，将.c文件转换为目标机器上的可执行文件
-C运行库：包括glibic, musl,newlib,为C标准库提供函数实现支持，可以根据需求进行自定义修改
-Binutils:：一组二进制程序处理工具，包括ar(静态库处理)，as(汇编器)，ld（链接器）等
-GDB: 用于进行项目调试，程序运行检查
-DejaGnu：程序测试框架，为所有测试提供一个前端支持
-qemu：纯软件实现的虚拟化模拟器,几乎可以模拟任何硬件设备。如果不需要该模拟器，可在执行git submodule update --init 命令前将其删除：git rm qemu
-spike:RISC-V的一种仿真器，它可以仿真一个或多个hart
pk:(proxy kernel)包含了一个boot loader和一个能处理系统调用的代理内核
由于众所周知的原因，该过程可能持续一到两个小时。当出现如下信息时，表示下载成功，整个项目文件所占空间约1.8GB。

子模组路径 'glibc'：检出 '9826b03b747b841f5fc6de2054bf1ef3f5c4bdf3'
子模组路径 'musl'：检出 '85e0e3519655220688e757b9d5bfd314923548bd'
子模组路径 'newlib'：检出 '415fdd4279b85eeec9d54775ce13c5c412451e08'
子模组路径 'pk'：检出 '2efabd3e6604b8a9e8f70baf52f57696680c7855'
子模组路径 'qemu'：检出 '823a3f11fb8f04c3c3cc0f95f968fef1bfc6534f'
子模组路径 'riscv-binutils'：检出 '20756b0fbe065a84710aa38f2457563b57546440'
子模组路径 'riscv-dejagnu'：检出 '4ea498a8e1fafeb568530d84db1880066478c86b'
子模组路径 'riscv-gcc'：检出 '5964b5cd72721186ea2195a7be8d40cfe6554023'
子模组路径 'riscv-gdb'：检出 '5da071ef0965b8054310d8dde9975037b0467311'
子模组路径 'spike'：检出 'a0298a33e7b2091ba8d9f3a20838d96dc1164cac'

此时不要关闭终端。在图形界面进入riscv-gnu-toolchain文件夹，检查子模块的文件夹是否为空。

可能出现的问题及解决方法

1、下载失败
可以选择科学上网，也可选择重试大法。或者选择别的时间点进行下载，亲测北京时间凌晨3点至4点的下载速度很快。
2、提示下载完成，本地文件夹中却显示此文件夹为空
此时不要关闭终端，在riscv-gnu-toolchain文件夹下删除为空的子文件夹，在终端中重新执行git submodule update --init 命令即可。

三、创建安装目录及设置环境变量

sudo mkdir /opt/RISCV/riscv64
sudo chmod -R 777 /opt/RISCV/riscv64
sudo vim ~/.bashrc
export RISCV="/opt/RISCV/riscv64"       #工具链的安装链接路径
export PATH=$PATH:$RISCV/bin
source ~/.bashrc                      #使此设置永久有效，不然每次打开终端都需要重新设置

四、编译安装riscv-gnu-toolchain

riscv-gnu-toolchain可以编译为以下版本：

riscv32-unknown-elf-gcc
riscv64-unknown-elf-gcc
riscv32-unknown-linux-gnu-gcc
riscv64-unknown-linux-gnu-gcc
riscv64-multilib-elf-gcc
riscv64-linux-multilib-gcc
riscv-none-embed-gcc

以 riscv64-unknown-linux-gnu为前缀表示该版本的工具链是64位架构的Linux版本工具链。注意：此linux不是指当前版本工具链一定要运行在linux操作系统的电脑上，而是是指该GCC工具链会使用Linux的Glibc作为C运行库。
同理，riscv32-unknown-linux-gnu前缀的版本则是32位架构。
以riscv64-unknown-elf为前缀表示该版本为非linux（Non-linux）版本的工具链。注意：此Non-Linux不是指当前版本工具链一定不能运行在Linux操作系统的电脑上，而是指该GCC工具链会使用newlib作为C运行库。
同理，riscv32-unknown-elf前缀的版本则是32位架构。
以riscv64-multilib-elf为前缀表示该版本为同时支持32位和64位的裸机编译工具链。
以riscv64-linux-multilib为前缀表示该版本为同时支持32位和64位的linux版本编译工具链。
以riscv-none-embed为前缀版本表示是最新为裸机（bare-metal）嵌入式系统而生成的交叉编译工具链，所谓裸机（bare-metal）是嵌入式领域的一个常见形态，表示不运行操作系统的系统。该版本使用新版本的newlib作为C运行库，并且支持newlib-nano，能够为嵌入式系统生成更加优化的代码体积（Code Size）。

总结： riscv的gcc编译器，分为2大类：

裸机： unknown-elf，none-embed
linux： linux
除了non-embed编译器，对于每一类，如果禁用multilib，那么又分为32位版本和64位版本。如果使能multilib，那么就只有一个版本，但是这个版本工具，可以同时支持32位和64位。

1、编译riscv32-unknown-elf-gcc

cd riscv-gnu-toolchain
mkdir build
cd build
../configure --prefix=/opt/RISCV/riscv64 --with-arch=rv32imc --with-abi=xxx
sudo make -jN

2、编译 riscv64-unknown-elf-gcc

cd riscv-gnu-toolchain
mkdir build
cd build
../configure --prefix=/opt/RISCV/riscv64 --with-arch=rv64imc --with-abi=xxx
sudo make -jN

3、编译riscv32-unknown-linux-gnu-gcc

cd riscv-gnu-toolchain
mkdir build
cd build
../configure --prefix=/opt/RISCV/riscv32 --with-arch=rv64imc --with-abi=xxx --enable-linux
sudo make linux -jN

4、编译riscv64-unknown-linux-gnu-gcc

cd riscv-gnu-toolchain
mkdir build
cd build
../configure --prefix=/opt/RISCV/riscv64 --with-arch=rv64imafd --with-abi=lp64d --enable-linux --disable-multilib
sudo make linux -jN

5、编译riscv64-multilib-elf-gcc

编译multilib版本的gcc，可以同时支持32位和64位

cd riscv-gnu-toolchain
mkdir build
cd build
../configure --prefix=/opt/riscv64-multilib-elf --enable-multilib --target=riscv64-multilib-elf
sudo make -jN

对于riscv64-multilib-elf-gcc编译器，可以通过以下选项，来决定生成的程序是32位版本还是64位版本:

-march=rv32 : 32位版本
-march=rv64 : 64位版本

6、编译 riscv64-linux-multilib-gcc

cd riscv-gnu-toolchain
mkdir build
cd build
../configure --prefix=/opt/riscv-linux-multilib --enable-multilib --target=riscv64-linux-multilib
sudo make -jN

对于riscv64-linux-multilib-gcc编译器，可以通过以下选项，来决定生成的程序是32位版本还是64位版本:

-march=rv32 : 32位版本
-march=rv64 : 64位版本

7、riscv-none-embed-gcc

专门为嵌入式使用的gcc交叉编译工具链。官方网站：https://gnu-mcu-eclipse.github.io/toolchain/riscv/
可以直接下载linux的二进制执行程序，以及windows的安装包。这个一般要搭配GNU MCU eclipse工具一起使用。
因为这个工具，直接提供可执行程序，因此就不介绍了。

8、编译选项的含义

–prefix:编译结果安装目录
–with-arch：要安装的指令集架构

RISCV指令集采用模块化设计，用户可按需选择指令集。其中基本整数指令集为唯一强制要求实现的指令集。

基本指令集	指令数	描述
RV32I	47	32位整数指令集，包含算术、分支、访存指令，32位寻址空间，32个32位寄存器
RV32E	47	RV32I的子集，用于小型的嵌入式场景，16个32位寄存器
RV64I	59	64位整数指令集，兼容RV32I，64位寻址空间，32个64位寄存器
RV128I	71	128位整数指令集，兼容RV32I和RV64I，128位寻址空间，32个128位寄存器

拓展指令集	指令数	描述
M	8	乘法(Multiplication)指令集和除法指令集,包括4条乘法、2条除法、2条余数操作指令
A	11	存储原子(Automic)指令集，包含原子操作指令，如读-修改-写、比较-交换等
F	26	单精度浮点(Float,32bit)指令集
D	26	双精度浮点(Double,64bit)指令集，兼容F
C	26	压缩(Compresses)指令集，指令长度变为16位，目的是减少代码大小

【注：特定组合“IMAFD”被称为“通用(General)”组合，用字母G表示】
其他的扩展指令集还包括:

“B”标准扩展：位操作

“E”标准扩展：嵌入式

“H”特权态架构扩展：支持管理程序（Hypervisor）

“J”标准扩展：动态翻译语言

“L”标准扩展：十进制浮点

“N”标准扩展：用户态中断

“P”标准扩展：封装的单指令多数据（Packed-SIMD）指令

“Q”标准扩展：四精度浮点

–with-abi
ABI（Application Binary Interface）：应用程序二进制接口，描述了应用程序和操作系统之间，一个应用和它的库之间，或者应用的组成部分之间的低接口。ABI涵盖了各种细节，如：

数据类型的大小、布局和对齐；
调用约定（控制着函数的参数如何传送以及如何接受返回值），例如，是所有的参数都通过栈传递，还是部分参数通过寄存器传递；哪个寄存器用于哪个函数参数；通过栈传递的第一个函数参数是最先push到栈上还是最后；
系统调用的编码和一个应用如何向操作系统进行系统调用；一个完整的操作系统ABI中，目标文件的二进制格式、程序库等等

i即int，l即long，p即pointer(指针)，32/64指前面给出的类型是32位还是64位；
f即float，指float型浮点数参数通过浮点数寄存器传递
d即double，指float型和double型浮点数参数通过浮点数寄存器传递

数据模型	int字长	long字长	指针字长
ilp32 / ilp32f / ilp32d	32bit	32bit	32bit
lp64 / lp64f / lp64d	32bit	64bit	64bit

	是否需要浮点扩展指令	float参数	double参数
ilp32 / lp64	不需要	通过整数寄存器(a0~a1)传递	通过整数寄存器(a0~a3)传递
ilp32f / lp64f	需要F扩展	通过浮点寄存器(fa0~fa1)传递	通过整数寄存器(a0~a3)传递
ilp32d / lp64d	需要F扩展和D扩展	通过浮点寄存器(fa0~fa1)传递	通过浮点寄存器(fa0~fa1)传递

浮点参数传递规则只与 --mabi选项有关，与--march选项没有直接关系。但是部分--mabi选项需要浮点寄存器，浮点寄存器是通过浮点扩展指令引入的，这就需要在--march选项中指定浮点扩展。

–enable-linux:编译结果在linux环境下运行
–disable-multilib：只编译64位程序，不兼容32位
更多编译选项请使用命令../configure --help查看

9、测试

riscv64-unknown-linux-gnu-gcc -v

出现如下信息则表示安装成功

Using built-in specs.
COLLECT_GCC=riscv64-unknown-linux-gnu-gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/opt/RISCV/riscv64/libexec/gcc/riscv64-unknown-linux-gnu/11.1.0/lto-wrapper
Target: riscv64-unknown-linux-gnu
Configured with: /home/lihua/riscv-gnu-toolchain/build/../riscv-gcc/configure --target=riscv64-unknown-linux-gnu --prefix=/opt/RISCV/riscv64 --with-sysroot=/opt/RISCV/riscv64/sysroot --with-pkgversion=g --with-system-zlib --enable-shared --enable-tls --enable-languages=c,c++,fortran --disable-libmudflap --disable-libssp --disable-libquadmath --disable-libsanitizer --disable-nls --disable-bootstrap --src=../../riscv-gcc --disable-multilib --with-abi=lp64d --with-arch=rv64imafd --with-tune=rocket --with-isa-spec=2.2 'CFLAGS_FOR_TARGET=-O2   -mcmodel=medlow' 'CXXFLAGS_FOR_TARGET=-O2   -mcmodel=medlow'
Thread model: posix
Supported LTO compression algorithms: zlib
gcc version 11.1.0 (g)

五、编译安装riscv-tools

编译spike

进入spike目录下

cd spike
mkdir build
cd build
../configure --prefix=$RISCV
make
[sudo] make install                       #sudo为可选项

编译pk

进入pk目录下

cd pk
mkdir build
cd build
../configure --prefix=$RISCV --host=riscv64-unknown-linux-gnu
make
make install

其中–host选项要为与之前构建的交叉编译器相匹配，如果之前构建的交叉编译器为riscv64-unknown-elf-gcc，则该项应设置为riscv64-unknown-elf。默认情况下将生成64位的可执行程序，如果想要生成32位可执行程序，请在configure后面添加--with-arch=rv32i

六、综合测试

编写一个测试程序

#include<stdio.h>
void main(){printf("hello world!\n");
}

使用riscv64-unknown-linux-gnu-gcc编译：

riscv64-unknown-linux-gnu-gcc -o hello hello.c -static

使用spike执行可执行文件:

spike pk hello

当屏幕上出现hello world时，则说明全套工具安装成功。

可能出现的问题及解决方法

当安装有多个版本的pk时，执行命令spike pk会报如下错误：

terminate called after throwing an instance of 'std::runtime_error'what():  could not open pk (did you misspell it? If VCS, did you forget +permissive/+permissive-off?)

此时则需要我们指定pk的绝对路径：

spike /opt/RISCV/riscv64/bin/pk hello