Лабораторная работа №1. Знакомство с рабочей средой SYNTACORE KIT

1.1 Цель и задачи

Целью работы является освоение работы с виртуальным окружением лабораторного практикума (Syntacore Kit).

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Изучить структуру виртуального окружения, научится запускать виртуальные машины.
2. Ознакомиться с основными командами, позволяющими проверить исправность среды.
3. Изучить инструменты кросс-компиляции программ.
4. Написать программу-пример для работы в виртуальной машине на базе RISC-V.

Презентация к блоку "Введение и инструменты сборки"

1.2. Основные теоретические сведения

1.2.1. Syntacore Kit

Виртуализация - создание виртуального представления (виртуальных устройств) вычислительных ресурсов (процессоров, оперативной памяти, сетевых устройств и т.д.), абстрагированного от их физического воплощения [1]. Интерфейсы и поведение виртуальных устройств максимально повторяют реальные устройства, однако за счет своей программной основы их можно в любой момент изменять.

Syntacore Kit -- набор инструментов разработчика для платформы RISC-V, организованный в виде набора виртуальных машин. Внешне Syntacore Kit представляет собой образ виртуальной машины VirtualBox, внутри которого содержится ОС (операционная система) Ubuntu 22.04 с процессором x86_64, необходимые инструменты разработчика (инструменты командной строки и Syntacore SC-IDE) , а также виртуальная машина QEMU с процессором RISC-V и ОС Debian Unstable с ядром Linux версии 5.18. В дальнейшем мы будем использовать следующие термины:

• ОС хоста - операционная система компьютера, на котором вы выполняете лабораторные работы
• Гостевая ОС - операционная система Ubuntu 22.04, работающая на виртуальной машине VirtualBox, запускаемой в ОС хоста.
• RISC-V ОС - операционная система Debian Unstable с ядром Linux версии 5.18 без графической оболочки, работающая на виртуальной машине QEMU (с виртуальным процессором RISC-V), запускаемой на гостевой ОС.

Syntacore Kit позволяет разработчикам создавать, компилировать и запускать тестировать программы для платформы RISC-V с помощью инструментов, расположенных в гостевой ОС. Для этого используется механизм кросс-компиляции - подхода, при котором код программы собирается для архитектуры, отличной от той, где запущен компилятор. Кросс-компиляторы входят в состав инструментов командной строки и Syntacore SC-IDE.

1.2.2. Компиляция и запуск программ в Syntacore Kit

Ниже будет рассмотрена последовательность действий для запуска Syntacore Kit и компиляции программ на его виртуальных машинах. На момент начала лабораторной работы Syntacore Kit должен быть установлен в вашем компьютерном классе.

Если запуск выполнен успешно, то вы увидите интерфейс гостевой ОС (Рис 1.)

Рис. 1.1. Интерфейс гостевой ОС и основные элементы Syntacore Kit

Необходимые элементы Syntacore Kit для выполнения данной лабораторной работы:

1. Эмулятор терминала.
2. Ярлык запуска Syntacore SC-IDE.

Для того чтобы запустить RISC-V ОС, нажмите на ярлык №1 (Рис. 2.1). В открывшемся окне терминала выполните две команды

$ cd ~/riscv-debian-sandbox/artifacts
$ ./run.sh

После выполнения данных команд начнется процесс запуска виртуальной машины QEMU c RISC-V ОС. Полная загрузка RISC-V ОС может потребовать некоторого времени (порядка 1-2 минут). В случае успешного запуска в интерфейсе гостевой ОС отобразится следующее окно (Рис. 1.2).

Рис. 1.2. Интерфейс авторизации RISC-V ОС

В окне вам будет предоставлен интерфейс авторизации RISC-V ОС. Для авторизации используйте логин debian и пароль debian. В случае успешной авторизации вам будет доступен интерфейс командной строки (Рис. 1.3).

Рис. 1.3. Интерфейс командной строки RISC-V ОС

В командной строке (Рис. 1.3) содержится минимальный инструментарий разработчика, позволяющий создавать и компилировать программы непосредственно в RISC-V ОС. Рассмотрим три основных способа создания RISC-V приложений в Syntacore Kit

Создание приложений в терминале RISC-V ОС

При данном способе и редактирование исходного кода, и его компиляция происходит в RISC-V ОС. Для сборки своего первого приложения выполните следующие команды:

$ cd ~/hello_world_test/ # Смена текущего каталога 
$ gcc -o hello hello.c  # Компиляция программы (флаг -o задает имя исполняемого файла
$ ./hello # запуск программы

В случае успешного выполнения в терминале должна отобразится строка "Hello from RISC-V". Обратите внимание, что вы можете создавать новые программы или редактировать пример с помощью предустановленных текстовых редакторов в командной строке nano, vim и vi. Начинающим пользователям мы рекомендуем использовать nano.

Создание приложений в терминале гостевой ОС

Гостевая ОС имеет инструменты кросс-компиляции для сборки RISC-V приложений. Для начала работы в терминале создайте с помощью следующих команд файл hello.c:

$ nano hello.c

В открывшемся окне вставьте код программы выше с помощью буфера обмена. Затем нажмите сочетание клавиш CTRL + X (в английской раскладке). После чего, нажмите на клавиатуре Y (в английской раскладке) и клавишу Enter.

#include <stdio.h>

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

Далее выполните команду кросс-компиляции:

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

Эта команда вызовет специальную версию компилятора gcc, которая создает приложения RISC-V. По итогу ее работы, на вашей файловой системе будет создан файл ./hello. Однако, если вы попробуете запустить его в том же терминале, то вас ждет ошибка:

$ ./hello 
bash: ./hello: cannot execute binary file: Exec format error

Ошибка связана с тем, что архитектура исполняемого файла hello не соответствует архитектуре гостевой ОС. Поэтому для запуска созданной программы ее нужно необходимо запускать в RISC-V ОС. Для этого существует два способа: запуск через утилиту qemu-riscv64 и копирование файла в виртуальную машину. Для обоих способов необходимо чтобы у вас уже была запущена RISC-V ОС.

1.2.2.1 Запуск через qemu-riscv64

В ряде случаев, для запуска и отладки программ на архитектуре RISC-V не обязательно запускать полноценную виртуальную машину с RISC-V ОС. В этих случаях можно использовать утилиту qemu-riscv64, которая обеспечивает запуск легковесной эмуляции для одной программы.

Выполните следующую команду в терминале гостевой ОС:

$ qemu-riscv64 -L "$RISCV/sysroot" ./hello

Произойдет запуск и вы увидите сообщение "Hello from RISC-V". Флаг -L устанавливает предварительно настроенное окружение для корректной работы RISC-V программ.

1.2.2.2 Копирование программы в RISC-V ОС

В терминале гостевой ОС выполните команду копирования по ssh:

$ scp ./hello riscv-debian:/home/debian 

Данная команда создала копию исполняемого файла ./hello из гостевой ОС в каталоге /home/debian RISC-V ОС. Теперь откройте окно терминала RISC-V ОС и выполните команды

$ cd ~
$ ./hello

Произойдет запуск и вы увидите сообщение "Hello from RISC-V".