RISC-V Linux Boot Flow（RISC-V Linux 開機流程）

RISC-V 是一個開放的指令集架構（ISA），其開機流程與 x86 或 ARM 有顯著差異，引入了 SBI（Supervisor Binary Interface） 作為韌體與 OS 之間的標準介面。本文整理完整的 RISC-V Linux 開機流程，以主流平台（SiFive HiFive、StarFive VisionFive、QEMU virt）為範例說明。

整體流程概覽

Power On / Reset
      │
      ▼
ZSBL（Zero Stage Bootloader）
      │  ROM 內建，將 FSBL 從 Flash 載入 SRAM
      ▼
FSBL（First Stage Bootloader）
      │  e.g., SiFive FSBL、oreboot
      ▼
OpenSBI（Open Source Supervisor Binary Interface）
      │  提供 M-mode 韌體服務，初始化 SBI 介面
      ▼
U-Boot SPL（可選）
      │  初始化 DRAM（若 FSBL 未完成）
      ▼
U-Boot Proper
      │  載入 Kernel + DTB + initramfs
      ▼
Linux Kernel（riscv64）
      │  進入 S-mode，讀取 DTB
      ▼
initramfs
      │
      ▼
RootFS + init（systemd）
      │
      ▼
Userspace

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RISC-V 特權層級架構

RISC-V 定義了三個特權層級，開機流程在不同層級間切換：

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│  U-mode（User Mode）                                 │  應用程式
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  S-mode（Supervisor Mode）                           │  Linux Kernel、Hypervisor
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  M-mode（Machine Mode）                              │  OpenSBI、Bootloader
└─────────────────────────────────────────────────────┘
     最低特權                              最高特權 →

層級	全名	誰運行	可存取資源
M-mode	Machine Mode	OpenSBI、FSBL	所有硬體暫存器、CSR
S-mode	Supervisor Mode	Linux Kernel	部分 CSR、透過 SBI 呼叫 M-mode
U-mode	User Mode	應用程式	無直接硬體存取

CSR（Control and Status Registers）重要暫存器

mhartid    — 目前 hart（硬體執行緒）的 ID
mstatus    — 全域狀態（中斷啟用、前一特權層級）
mepc       — M-mode 例外返回位址
mtvec      — M-mode 中斷向量表基址
satp       — 分頁模式（Sv39 / Sv48 / Sv57）+ 頁表基址
sstatus    — S-mode 狀態暫存器
sepc       — S-mode 例外返回位址

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1. ZSBL（Zero Stage Bootloader）

說明

上電後 CPU hart 0 從固定位址執行片上 ROM（ZSBL），這是最原始的一段不可修改的程式碼。

主要工作

• 初始化最基本的時鐘與 SRAM
• 從 SPI Flash / SD Card / eMMC 讀取 FSBL
• 將 FSBL 複製到 SRAM 後跳轉執行

多 hart 處理

Hart 0（Primary Hart）→ 執行開機流程
Hart 1, 2, 3...（Secondary Harts）→ 等待 WFI（Wait For Interrupt）
                                     由 OpenSBI 的 HSM（Hart State Management）喚醒

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2. FSBL（First Stage Bootloader）

常見實作

FSBL	使用平台	說明
SiFive Freedom U540 FSBL	SiFive HiFive Unleashed	SiFive 官方 FSBL
oreboot	實驗性平台	Rust 實作的開源 FSBL
coreboot + RISC-V payload	部分開發板
U-Boot SPL	StarFive VisionFive 2	直接由 U-Boot SPL 扮演 FSBL

主要工作

• DRAM 初始化（DDR training，若 ZSBL 未完成）
• 從儲存裝置載入 OpenSBI（fw_dynamic.bin 或 fw_jump.bin）
• 可能同時載入 U-Boot 或直接跳轉至 OpenSBI

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3. OpenSBI（Open Source Supervisor Binary Interface）

SBI 是什麼？

SBI（Supervisor Binary Interface）是 RISC-V 特有的韌體規範，定義了 S-mode（Kernel）與 M-mode（韌體）之間的標準介面，類似於 x86 的 BIOS INT 呼叫或 ARM 的 PSCI。

Linux Kernel（S-mode）
      │  ecall 指令（類似 syscall，但往下呼叫韌體）
      ▼
OpenSBI（M-mode）
      │  處理硬體操作後返回
      ▼
回傳結果給 Kernel

OpenSBI 三種韌體映像

韌體類型	說明	使用場景
fw_payload.bin	將 U-Boot / Kernel 打包在 OpenSBI 內	簡單部署，QEMU 常用
fw_jump.bin	OpenSBI 初始化後跳轉至固定位址	U-Boot 放置在已知位址
fw_dynamic.bin	由前一階段動態傳遞下一階段資訊	最靈活，現代主流方式

OpenSBI 主要工作

1. 初始化 M-mode 環境（設定 mtvec、PMP 保護）
2. 實作 SBI 擴充功能：
   • sbi_console_putchar：序列埠輸出
   • sbi_send_ipi：處理器間中斷（IPI）
   • sbi_set_timer：定時器設定
   • sbi_system_reset：系統重置
   • sbi_hsm：Hart State Management（多核心管理）
3. 傳遞 FDT（Flattened Device Tree） 位址給下一階段（放在 a1 暫存器）
4. 切換至 S-mode 並跳轉至 U-Boot 或 Kernel

SBI 呼叫慣例（RISC-V Calling Convention）

a7 = SBI Extension ID（EID）
a6 = SBI Function ID（FID）
a0~a5 = 參數
─────────────────────────
ecall
─────────────────────────
a0 = 錯誤碼（0 = 成功）
a1 = 返回值

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4. U-Boot（RISC-V）

說明

U-Boot 在 RISC-V 平台上執行於 S-mode，透過 SBI ecall 呼叫 OpenSBI 的硬體服務。

U-Boot SPL vs U-Boot Proper

（若平台需要）U-Boot SPL
      │  執行於 M-mode 或 S-mode
      │  初始化 DRAM、載入 OpenSBI + U-Boot Proper
      ▼
U-Boot Proper（S-mode）
      │
      ├─ 初始化儲存裝置（SD / eMMC / NVMe）
      ├─ 讀取 /boot/extlinux/extlinux.conf 或 FIT Image
      ├─ 載入 Linux Kernel（Image 或 Image.gz）
      ├─ 載入 DTB（.dtb）
      ├─ 載入 initramfs（可選）
      └─ booti / bootm 啟動 Kernel

典型啟動指令

# 從 SD Card 啟動
load mmc 0:1 ${kernel_addr_r} /boot/Image
load mmc 0:1 ${fdt_addr_r} /boot/dtbs/starfive/jh7110-starfive-visionfive-2-v1.3b.dtb
load mmc 0:1 ${ramdisk_addr_r} /boot/initrd.img

booti ${kernel_addr_r} ${ramdisk_addr_r}:${filesize} ${fdt_addr_r}

extlinux.conf（類 GRUB 設定）

DEFAULT linux
LABEL linux
  KERNEL /boot/Image
  FDT /boot/dtbs/starfive/jh7110-visionfive2.dtb
  APPEND root=/dev/mmcblk1p4 rw console=ttyS0,115200 earlycon rootwait

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5. Linux Kernel 初始化（RISC-V）

Kernel 進入點

U-Boot 透過 booti 命令跳轉至 Kernel，並依照 RISC-V Linux Boot Protocol 傳遞參數：

a0 = hartid（執行 Kernel 的 hart ID，通常為 0）
a1 = FDT 位址（Flattened Device Tree，DTB 的記憶體位址）

Kernel Image 格式

RISC-V Linux Kernel Image 標頭（64 bytes）
┌────────────────────────────────────────┐
│ jump instruction（跳過 header）        │  8 bytes
│ magic number（0x5643534952 "RISCV"）   │  8 bytes
│ text offset                            │  8 bytes
│ image size                             │  8 bytes
│ flags                                  │  8 bytes
│ version                                │  4 bytes
│ reserved                               │  12 bytes
│ magic2（0x05435352）                   │  4 bytes
│ reserved                               │  4 bytes
└────────────────────────────────────────┘

早期初始化流程

_start（arch/riscv/kernel/head.S）
   │
   ├─ 設定初始頁表（setup_vm）
   ├─ 啟用 MMU（satp 暫存器設定分頁模式）
   ├─ 設定 trap handler（stvec）
   ├─ 呼叫 start_kernel()（init/main.c）
   │
start_kernel()
   ├─ setup_arch()          ← 解析 DTB、初始化記憶體
   ├─ mm_init()             ← 頁面分配器（buddy system）
   ├─ sched_init()          ← CFS 排程器
   ├─ irq_init()            ← PLIC（Platform-Level Interrupt Controller）
   ├─ time_init()           ← CLINT / Timer 驅動
   └─ rest_init()           ← 啟動 kernel thread，呼叫 init 程序

RISC-V 分頁模式（MMU）

Sv39（39-bit 虛擬位址，512 GB 空間）← 64-bit Linux 預設
   │  3 層頁表（Page Global Directory → Page Middle Directory → Page Table）

Sv48（48-bit 虛擬位址，256 TB 空間）
   │  4 層頁表

Sv57（57-bit 虛擬位址，128 PB 空間）
   │  5 層頁表（最新規範，部分平台支援）

中斷控制器架構

CLINT（Core Local Interruptor）
   │  軟體中斷（IPI）、計時器中斷
   │  每個 hart 各自有一組

PLIC（Platform-Level Interrupt Controller）
   │  外部中斷（UART、GPIO、NVMe...）
   │  可設定各 hart 的中斷優先權與 mask

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6. DTB（Device Tree Blob）在 RISC-V 的角色

RISC-V 平台高度依賴 DTB 描述硬體拓樸，因為 RISC-V 目標是支援各種不同硬體，沒有像 x86 的 ACPI 標準。

DTB 傳遞鏈

FSBL / U-Boot
   │  將 DTB 位址存入 a1 暫存器
   ▼
OpenSBI
   │  可修改 DTB（加入 /chosen 節點，如 bootargs）
   ▼
Linux Kernel
   │  透過 early_init_fdt() 解析 DTB
   ▼
驅動程式
   │  透過 of_*() API 讀取硬體描述

DTB 重要節點範例

/ {
    cpus {
        cpu@0 {
            compatible = "sifive,u74-mc";
            riscv,isa = "rv64imafdc";
            mmu-type = "riscv,sv39";
        };
    };

    soc {
        plic: interrupt-controller@c000000 {
            compatible = "sifive,plic-1.0.0";
            reg = <0xc000000 0x4000000>;
            riscv,ndev = <53>;
        };

        uart0: serial@10000000 {
            compatible = "ns16550a";
            reg = <0x10000000 0x100>;
            interrupts = <10>;
            interrupt-parent = <&plic>;
        };
    };

    chosen {
        bootargs = "console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw";
        stdout-path = &uart0;
    };
};

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7. initramfs 與 RootFS 掛載

流程與 x86 相同，但注意 RISC-V 平台的儲存驅動：

initramfs 載入
   │
   ├─ 載入必要模組：
   │   riscv_sbi.ko（SBI 驅動）
   │   plic.ko（中斷控制器）
   │   sifive_uart.ko / ns16550.ko（序列埠）
   │   dwmac.ko（網路，StarFive 平台）
   │
   ├─ 掛載真正 RootFS（ext4 / XFS / btrfs）
   │
   └─ switch_root → 執行 /sbin/init

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8. systemd 與 Userspace

與 x86 Linux 一致，RISC-V 上的現代 Linux 發行版同樣使用 systemd 管理服務。

# 查看開機 log
journalctl -b
dmesg | grep -i "riscv\|plic\|clint\|sbi"

# 確認 SBI 版本
cat /sys/firmware/devicetree/base/firmware/sbi/compatible
dmesg | grep -i "OpenSBI"

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各平台開機流程比較

QEMU virt（開發/模擬）

QEMU 直接載入 fw_jump.bin（OpenSBI）
   │  -bios fw_jump.bin
   ▼
OpenSBI 初始化，跳轉至 U-Boot 或直接跳轉 Kernel
   │  -kernel Image -dtb virt.dtb
   ▼
Linux Kernel（無需真實 Bootloader 鏈）

QEMU 啟動範例：

qemu-system-riscv64 \
  -machine virt \
  -cpu rv64 \
  -m 4G \
  -smp 4 \
  -bios /usr/lib/riscv64-linux-gnu/opensbi/qemu/virt/fw_jump.elf \
  -kernel /boot/vmlinuz \
  -initrd /boot/initrd.img \
  -append "root=/dev/vda2 rw console=ttyS0" \
  -drive file=ubuntu-riscv.img,format=raw,id=hd0 \
  -device virtio-blk-device,drive=hd0 \
  -nographic

SiFive HiFive Unmatched

ZSBL（ROM）→ FSBL（SPI Flash）→ OpenSBI + U-Boot SPL → U-Boot Proper → Linux

StarFive VisionFive 2

ZSBL（ROM）→ SPL（eMMC/SD）→ OpenSBI（fw_dynamic）→ U-Boot Proper → Linux

Milk-V Pioneer（SG2042，64 核心）

ZSBL → FSBL → OpenSBI → EDK2（UEFI）→ GRUB → Linux

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Flash / 儲存裝置 Layout（典型）

SD Card / eMMC
┌──────────────────────────────────────────┐  0 MB
│  GPT Header / MBR                        │
├──────────────────────────────────────────┤  1 MB
│  U-Boot SPL + OpenSBI（fw_dynamic.bin）  │  partition 1（raw）
├──────────────────────────────────────────┤  4 MB
│  U-Boot Proper（u-boot.itb）             │  partition 2（raw）
├──────────────────────────────────────────┤  8 MB
│  /boot（ext4）                           │  partition 3
│    ├─ Image（Kernel）                    │
│    ├─ *.dtb                              │
│    └─ initrd.img                         │
├──────────────────────────────────────────┤  512 MB
│  /（RootFS，ext4 / btrfs）              │  partition 4
└──────────────────────────────────────────┘

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與其他架構開機流程比較

特性	x86 (UEFI)	ARM (ATF)	RISC-V (OpenSBI)
韌體規範	UEFI / PI Spec	PSCI / TF-A	SBI / OpenSBI
最高特權層	SMM	EL3	M-mode
OS 執行層	Ring 0	EL1	S-mode
硬體描述	ACPI + SMBIOS	ACPI / DTB	DTB（主要）
標準 Bootloader	GRUB / systemd-boot	U-Boot / GRUB	U-Boot
多核啟動	ACPI MADT / MP Table	PSCI CPU_ON	SBI HSM Extension
安全開機	Secure Boot（UEFI）	TrustZone / Secure Boot	尚在發展中

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常見除錯方法

查看 OpenSBI 資訊

# 從 dmesg 確認 OpenSBI 版本與功能
dmesg | grep -i "opensbi\|sbi"
# 輸出範例：
# [    0.000000] riscv: base ISA extensions acdfim
# [    0.000000] SBI specification v1.0 detected
# [    0.000000] SBI implementation ID=0x1 Version=0x10004

# 查看支援的 SBI 擴充
cat /proc/cpuinfo | grep isa

UART 序列除錯

# 在 U-Boot 中透過 UART 觀察
# 連接 USB-to-UART 模組（3.3V）至開發板 Debug UART 腳位
screen /dev/ttyUSB0 115200
# 或
minicom -D /dev/ttyUSB0 -b 115200

常見開機失敗原因

現象	可能原因	對策
UART 無任何輸出	ZSBL 無法載入 FSBL、SPI Flash 損壞	確認 Flash 燒錄、Boot Mode 引腳
OpenSBI 啟動後卡住	DTB 錯誤、DRAM 初始化失敗	確認 DTB 版本相符
U-Boot 找不到 Kernel	分割區錯誤、檔案系統損壞	確認 bootcmd 與 partition 設定
Kernel panic: no init	initramfs 損壞、root= 參數錯誤	確認 UUID/裝置名
多核心 hart 無法啟動	SBI HSM 問題、CLINT 設定錯誤	確認 OpenSBI 版本、DTB 的 cpus 節點

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參考資料

• RISC-V SBI Specification
• OpenSBI GitHub
• Linux RISC-V Boot Protocol
• RISC-V Linux Kernel Source - arch/riscv
• U-Boot RISC-V
• StarFive VisionFive 2 Software Documentation
• RISC-V Privileged Architecture Spec