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Linux カーネルを新しいプラットフォームでビルドする手順

2026/09/04 2:57

Linux カーネルを新しいプラットフォームでビルドする手順

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要約▶

日本語翻訳:

本記事では、カスタム物理ハードウェアを使用せず、完全な Linux カーネルをユーザー空間で起動することに成功した、約 2,000 行の C++ コードで構築された最小限の RISC-V エミュレーターについて説明している。通常のセットアップが U-Boot などのブートローダーを使用してストレージからファイルをロードするのとは異なり、このエミュレーターは重要な周辺機器（RAM、UART8250）およびリソースを特定のアドレスに直接メモリマッピングする。これらは RV32IMA 命令セットをサポートし、タイマーについては SBI を介してインターフェースしており、MMU を備えた CPU、十分な RAM、およびシステムクロックタイマーが必要とされる。

Linux を起動するには、エミュレーターバイナリ内にカーネルイメージ、デバイスツリーブロッブ（DTB）、およびイニトラムフス（initramfs）の 3 つのコンポーネントを埋め込む。カーネルは不要な機能が無効化されたオプションを使用して crosstool-ng で最小限の 32 ビット RISC-V イメージとしてコンパイルされ、イニトラムフスには静的にリンクされた「Hello World」イニシャルプログラムおよび/dev/kmsg などの必須デバイスが含まれる。DTS ファイルから生成された DTB は初期コンソール出力を構成し、イニシャルプロセスの場所を指定する。

重要なのは、エミュレーター全体を WebAssembly にクロスコンパイル可能なことであり、これにより複雑なビルド環境や新しい PCB デザインなしに Linux ディストリビューションをブラウザ上で直接実行できる。生産用途には最適化されていない（コールドブートには最大 1 分かかる可能性がある）が、この軽量ツールは組み込み Linux 開発への参入障壁を下げ、RISC-V アーキテクチャの学習のためのアクセス可能なプラットフォームを提供する。

本文

Linux の稼働と RISC-V エミュレーター構築ガイド

概要

近年、組み込みシステムにおいてLinuxが主流のオペレーティングシステムとなっています。その魅力は柔軟性だけでなく、多数の開発者によるドライバ実装にあります。しかし、カスタムハードウェアでは当初、カーネルを自ら起動させる（ブリングアップ）作業が必要です。

本稿では、新規プラットフォームでの Linux 稼働に必要な最小限の設定手順について解説します。対象は新設計基板ではなく、RISC-V CPU のエミュレーターです。

Linux 稼働の要件

複雑なソフトウェアである Linux を動かすために必要なハードウェア要件は以下の 3 つだけ suffices です。

  • **MMU（メモリ管理ユニット）**付きの CPU
  • RAM: カーネル、デバイスツリー、initramfs を読み込む十分な容量
  • システムクロックタイマー: 定期的な割り込み発生機能

エミュレーターの作成

上記要件を実装するため、約 2,000 行の C++ コードで以下の実装を行いました。

  • CPU: RV32IMA インストラクションセットの実装（MMU 機能含む）
  • RAM: シングル RAM パフォーマンスの実装
  • タイマー: SBI（Supervisor Binary Interface）インタフェース
  • UART (シリアル通信): WD8250 チップベースの実装

完全な実装コードは以下で入手可能です。

WerWolv/riscv-emulator

実際のハードウェアとの違い

本稿では自作パーフェリカルを使用しますが、実際の SoC ではデータシートを確認してマッピングアドレスを特定し、ブートローダー（u-boot など）を用いて不揮発性ストレージから起動します。

エミュレーターでの最終的なハードウェア定義例は以下の通りです。

struct Hardware {
    Hardware() {
        // パフォーマンスのアドレス空間にマッピング
        cpu.address_space().map(0x0000'0000, &ram);
        cpu.address_space().map(0xF400'0000, &uart8250);

        // RISC-V 互換の MMU をアドレス変換器として追加
        cpu.address_space().add_address_translator(&riscv_mmu);

        // UART パフォーマンスの設定：出力をターミナルに印刷
        uart8250.output_callback([](std::uint8_t c) {
            putchar(c);
            fflush(stdout);
        });

        // カーネルを RAM の先頭に読み込む
        ram.write(0x00, LinuxKernel);

        // デバイストゥリーを RAM の末尾に読み込む
        constexpr static auto DeviceTreeBlobLoadAddress = 512_MiB - 1_MiB;
        ram.write(DeviceTreeBlobLoadAddress, DeviceTreeBlob);

        // ブートローダーと同様に、デバイスツリーのアドレスをレジスタ a1 に設定
        emulator.cores()[0].a1() = DeviceTreeBlobLoadAddress;

        // 固定アドレスに initramfs を読み込み（後で参照可能）
        constexpr static auto InitRamFsLoadAddress = 0x1F700000;
        ram.write(InitRamFsLoadAddress, InitRamFs);

        // CPU の起動
        cpu.power_up();
    }

    auto step() -> void {
        cpu.step();
    }
private:
    riscv::Cpu<1> cpu;
    dev::riscv::MMU<std::uint32_t> riscv_mmu;
    dev::Ram ram(512_MiB);
    dev::UART8250 uart8250;
}

ツールチェーンの構築

Linux を動かすには、まずプラットフォーム向けにカーネルを構成・コンパイルする必要があります。手作業での環境構築は複雑であるため、crosstool-ng プロジェクトを利用し、以下のタスクを自動化します。

  • コンパイラとライブラリの入手
  • 構成とコンパイルの実行

ターゲットの選択

32 ビット RISC-V Linux を動作させるため、

riscv32-unknown-linux-gnu
のツールチェーンが必要です。これにより GCC コンパイラと glibc が提供されます。

$ ./bootstrap
INFO  :: *** Generating package version descriptions...
INFO  :: *** Done!
$ make
gmake[1]: Entering directory 'crosstool-ng'...
GEN      ct-ng
$ ./ct-ng riscv32-unknown-elf
...
Now configured for "riscv32-unknown-elf"
$ ./ct-ng menuconfig


menuconfig
を実行して設定メニューを開き、以下の項目を変更します。

  • Target options: 「Use the MMU」を有効化
  • Operating System: 「Target OS」をLinuxに設定
  • C library: 「C library」をglibcに設定
  • Enable C compiler: C++ コンパイラーを有効化

設定を保存し、

./ct-ng build
を実行します。完了すると 
~/x-tools/riscv32-unknown-linux-gnu
にツールチェーンがインストールされます。

Linux カーネルのコンパイル

ツールチェーン準備ができたら、Linux カーネル（torvalds/linux）をコンパイルします。デフォルトの RISC-V 設定をベースにし、以下の点を変更します。

  • Platform type: 「Allow configurations that result in non-portable kernels」を有効化
  • Base ISA: RV32I に設定（64 ビットから 32 ビットへ）
  • 拡張機能サポート: エミュレーター未実装のため、すべてを無効化
  • Boot options: 「UEFI runtime support」を無効化
    • ※エミュレーターは圧縮命令セットをサポートしていないため、「Emit compressed instructions」も無効化します。

以下の設定も行います。

  • Target options:
    • 「Generate code for the specific ABI」を 
      ilp32
      に設定
    • 「Architecture Level」を 
      rv32ima
      に設定
  • Kernel Features:
    • タイマー用の SBI v0.1 サポートを有効化
    • リロケタブルカーネル（relocatable kernel）構築を有効化
    • 肥大化要因である Virtualization, Loadable module support, Networking support, Cryptographic API を無効化

設定完了後、以下のコマンドでコンパイルを開始します。

$ make -j \
    ARCH=riscv \
    CROSS_COMPILE=/path/to/riscv32-unknown-linux-gnu-

make への回答はすべて 

n
で構いません。コンパイル完了後、以下に最終実行ファイルが存在します。

  • ファイル場所: 
    arch/riscv/boot/Image

init プログラムのコンパイル

ユーザー空間到達直後に動作するシンプルな init プログラムを作成します。実際の組み込みでは busybox が一般的ですが、ここではテキスト出力用の簡易 C コードを使用します。

#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
  // ログを直接カーネルログへ出力するため /dev/kmsg を開く
  int kmsg = open("/dev/kmsg", O_WRONLY);
  if (kmsg == -1) {
    return EXIT_FAILURE;
  }
  // メッセージの印刷
  dprintf(kmsg, "Hello World from \033[32mLinux Userspace\033[0m!\n");
  // init プロセスが終了しないように無限ループ
  while (true) {
    sleep(1);
  }
  // ファイルハンドルを閉じる
  close(kmsg);
  return EXIT_SUCCESS;
}

共有ライブラリ依存を避け単独で動作するため、静的リンク（statically linked）します。

$ riscv32-unknown-linux-gnu-gcc -static init.c -o init

initramfs の作成

initramfs はシステム起動後に利用可能なファイルシステム（cpio アーカイブ）です。ルート 

/
にマウントされ、通常 
/bin
, 
/dev
, 
/proc
などを含みます。

再現性のある構成を生成するために、以下のテキストファイルを 

gen_init_cpio
ツールで処理します。

initramfs 定義ファイル (

initramfs.txt
)

# /bindir /bin 755 0 0file /bin/init init 755 0 0
# /devdir /dev 755 0 0nod /dev/kmsg 644 0 0 c 1 11nod /dev/initrd 644 0 0 b 1 250nod /dev/console 600 0 0 c 5 1nod /dev/null 666 0 0 c 1 3nod /dev/ram 644 0 0 b 1 0nod /dev/root 644 0 0 b 4 0nod /dev/ttyS0 660 0 0 c 4 64
# /procdir /proc 755 0 0

アーカイブを生成します。

$ gen_init_cpio initramfs.txt -i initramfs.cpio

デバイスツリーの作成

Linux カーネルはデバイスツリー（Device Tree）に基づいてドライバのロードや設定を行います。以下の DTS ファイルで最小限のハードウェアを定義します。

riscv-emulator.dts

/dts-v1/;
/ {
  #address-cells = <0x01>;
  #size-cells = <0x01>;
  model = "WerWolv's Emulator";

  cpus {
    #address-cells = <0x01>;
    #size-cells = <0x00>;
    timebase-frequency = <65000000>;

    cpu@0 {
      device_type = "cpu";
      compatible = "riscv";
      reg = <0x00>;
      riscv,isa = "rv32ima";
      mmu-type = "riscv,sv32";

      interrupt_controller: interrupt-controller {
        #interrupt-cells = <0x01>;
        #address-cells = <0x00>;
        compatible = "riscv,cpu-intc";
        interrupt-controller;
      };
    };
  };

  memory@0 {
    device_type = "memory";
    reg = <0x00 (512 * 1024 * 1024)>;
  };
}

パーフェリカルは 

soc
ノード下に配置します。

/ {
  // ...
  soc@F0000000 {
    #address-cells = <0x01>;
    #size-cells = <0x01>;
    compatible = "simple-bus";
    ranges = <0x00 0xF0000000 0x10000000>;

    serial@4000000 {
      compatible = "ns8250", "ns16550";
      reg = <0x4000000 0x100000>;
      interrupt-parent = <&interrupt_controller>;
      interrupts = <0x01>;
      no-loopback-test;
      clock-frequency = <5000000>;
    };
  };
};

カーネル設定（

chosen
ノード）を以下のように記述します。

/ {
  // ...
  aliases {
    serial0 = "/soc@F0000000/serial@4000000";
  };

  chosen {
    bootargs = "earlycon console=/dev/ttyS0 rdinit=/bin/init root=/dev/initrd";
    stdout-path = "serial0";
    linux,initrd-start = <0x1F700000>;
    linux,initrd-end = <0x1FEFFFFF>;
  };
};

重要なのは 

chosen
ノード内の値です。

  • bootargs: earlycon で早期ログ出力を有効化し、UART（serial0）に割り当てます。また、ユーザー空間到達直後には 
    /bin/init
    を起動させます。
  • linux,initrd-start/end: initramfs のメモリアドレスを定義します。

DTS ファイルを DTB（Device Tree Blob）に変換します。

$ dtc -I dts -O dtb -o riscv-emulator.dtb riscv-emulator.dts

すべてを組み合わせて

作成した 3 つのファイルをエミュレーターに埋め込み、実行します。

constexpr std::uint8_t LinuxKernel[] = {    #embed "Image"};
constexpr std::uint8_t DeviceTreeBlob[] = {    #embed "device_tree.dtb"};
constexpr std::uint8_t InitRamFs[] = {    #embed "initramfs.cpio"};

実行結果は以下の通りです。

$ ./emulator
[    0.000000] Booting Linux on hartid 0
[    0.000000] Linux version 7.0.0-00166-g0f0013213293 (werwolv@fedora) ...
[    0.000000] Machine model: WerWolv's Emulator...
[   54.748992] Run /bin/init as init process
[   54.814251] Hello World from Linux Userspace!

ブラウザでの実行

作成したバイナリは WebAssembly（Wasm）へクロスコンパイル可能で、JavaScript から呼び出せるためブラウザ上で動作させることもできます。ただし、起動まで約 1 分かかる場合があり、これはエミュレータが最適化されていない環境下であることを示しています。

まとめ

以上により、RISC-V エミュレーター上で Linux システムを構築することができました。

  • プロセス自体は実際のハードウェアでも同様ですが、メモリーマッピングは SoC データシートに基づき行う必要があります。
  • 実際の組み込みシステムではブートローダー（u-boot など）がカーネルや initramfs を配置し、独自のファイル形式でバンドリングします（Android ブートローダーマニュアル参照）。

使用したコードとエミュレーターは GitHub で公開しています：

WerWolv/riscv-emulator

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