RISC-V и Linux: перспективы открытой архитектуры и свободных дистрибутивов

В мире, где доминируют проприетарные архитектуры процессоров, таких как x86 от Intel и AMD или ARM, появление и развитие RISC-V знаменует важный поворотный момент. Эта открытая архитектура предлагает новые возможности как для разработчиков, так и для пользователей. Особенно интересно наблюдать, как различные дистрибутивы Linux адаптируются к этой перспективной технологии, создавая полноценную экосистему открытого программного и аппаратного обеспечения. В 2025 году поддержка RISC-V в мире Linux вышла на новый уровень, предлагая разнообразие решений и интересные технические возможности.

История и основы архитектуры RISC-V

RISC-V (произносится «риск-файв») представляет собой открытую стандартную архитектуру набора инструкций (ISA), основанную на принципах Reduced Instruction Set Computing (RISC). В отличие от проприетарных архитектур, RISC-V является свободной и открытой, что позволяет любому проектировать, производить и продавать чипы и программное обеспечение RISC-V без лицензионных сборов или ограничений.

Архитектура RISC-V была разработана в Калифорнийском университете в Беркли в 2010 году. Изначально она создавалась как простая, расширяемая ISA для исследований компьютерной архитектуры и образования. Осознавая более широкий потенциал, создатели сделали её свободно доступной для всех. С тех пор RISC-V получила значительное распространение и превратилась в зрелую, конкурентоспособную архитектуру, управляемую организацией RISC-V International.

Технические особенности RISC-V

RISC-V имеет модульную архитектуру с базовым набором инструкций и необязательными расширениями. Основные варианты включают 32-битную (RV32) и 64-битную (RV64) реализации, причем последняя получила наибольшее распространение в экосистеме Linux под названием riscv64.

Важные технические особенности архитектуры включают:

• Модульность и расширяемость, позволяющие адаптировать процессор под конкретные задачи
• Простой и чистый дизайн, облегчающий реализацию и верификацию
• Эффективные механизмы вызова подпрограмм, где инструкция jal (jump and link) размещает адрес возврата в регистре, что ускоряет работу во многих компьютерных системах
• Различные варианты АВI (Application Binary Interface), включая lp64d и lp64 для 64-битных систем

Основной поддержка RISC-V была добавлена в ядро Linux 5.17 в 2022 году вместе с соответствующим инструментарием, что стало значительным шагом в развитии экосистемы.

Федора на RISC-V: полноценная поддержка открытой архитектуры

Fedora активно расширяет поддержку RISC-V, сделав эту архитектуру пятой официально поддерживаемой платформой наряду с x86_64, ARM, PowerPC и s390x. По состоянию на начало 2025 года достигнуты значительные успехи в создании полноценной среды для разработчиков и энтузиастов.

Ключевые достижения Fedora для RISC-V

В сообществе уже появилась шутливая фраза «2025 — год Linux на RISC-V», демонстрирующая энтузиазм разработчиков. Для поддержки новой архитектуры в Fedora создана специальная инфраструктура, включая выделенный экземпляр Koji (система сборки) в центре обработки данных Fedora. Это оборудование полностью интегрировано с системами аутентификации и основными сервисами дистрибутива.

Приняв RISC-V, Fedora укрепляет свои основные принципы: свобода, друзья, функциональность и инновации. Открытость RISC-V устраняет барьеры для инноваций, способствуя коллективному, ориентированному на сообщество подходу к разработке аппаратного обеспечения, аналогичному открытому программному обеспечению.

Преимущества Fedora на RISC-V

Главное преимущество использования Fedora на RISC-V заключается в полноценной интеграции с основной экосистемой дистрибутива. Это обеспечивает доступ к большинству программных пакетов и инструментов, привычных пользователям Fedora на других архитектурах. Для разработчиков это означает возможность легко портировать свои приложения на RISC-V, используя знакомые инструменты и методы.

OpenSUSE на RISC-V: гибкие возможности для разработчиков

OpenSUSE предоставляет официальную поддержку архитектуры RISC-V, предлагая образы Tumbleweed для различных аппаратных платформ. Учитывая, что поддержка RISC-V все еще находится в процессе разработки, пользователи могут столкнуться с ошибками или нестабильной работой, но сообщество активно работает над улучшением ситуации.

Образы OpenSUSE для RISC-V

Для платформы RISC-V доступны следующие образы OpenSUSE Tumbleweed:

• Портированные образы: https://download.opensuse.org/ports/riscv/tumbleweed/images/
• ISO-образы: https://download.opensuse.org/ports/riscv/tumbleweed/iso/

Эти образы могут использоваться как на реальном оборудовании RISC-V, так и в эмуляторах.

Эмуляция RISC-V в OpenSUSE

OpenSUSE предоставляет два основных метода эмуляции RISC-V:

1. Эмуляция пользовательского пространства QEMU: позволяет выполнять бинарные файлы RISC-V на обычных компьютерах с x86_64. Для настройки требуется установить пакеты qemu-linux-user и systemd-container, а затем зарегистрировать QEMU как обработчик для бинарных файлов RISC-V.
2. Системная эмуляция QEMU: позволяет запускать полноценную виртуальную машину с RISC-V. Для этого требуется загрузить EFI-образ и настроить соответствующие параметры эмулятора.

Подробные инструкции по настройке эмуляции доступны в вики OpenSUSE, что делает процесс доступным даже для начинающих пользователей.

Arch Linux на RISC-V: гибкий порт для энтузиастов

Arch Linux, известный своей простотой и ориентацией на опытных пользователей, также имеет порт для архитектуры RISC-V. Этот порт поддерживает базовую аппаратную конфигурацию RV64GC с ABI lp64d4.

Текущий статус порта Arch Linux для RISC-V

Основной пакет ядра Linux в Arch имеет включенную поддержку для RISC-V, тестированную на различных платформах. Кроме того, репозиторий содержит экспериментальные пакеты ядра для конкретных плат, таких как LicheePi 4A (TH1520) и Milk-V Pioneer (SG2042).

Порт применяет патчи поверх исходных пакетов Arch Linux. Долгосрочная цель проекта — внедрить эти патчи в основные репозитории, чтобы riscv64 (riscv64gc) мог быть добавлен в Arch Linux в качестве альтернативной архитектуры.

Alpine Linux на RISC-V: легковесное решение для встраиваемых систем

Alpine Linux, известный своей минималистичностью и ориентацией на безопасность, также предлагает поддержку RISC-V. Этот дистрибутив особенно интересен для встраиваемых систем и устройств с ограниченными ресурсами.

Доступность Alpine Linux для RISC-V

По информации с форума Reddit, поддержка RISC-V в Alpine уже реализована, и пользователи могут найти minirootfs для riscV на зеркалах дистрибутива. В частности, образы доступны по адресу: https://dl-cdn.alpinelinux.org/alpine/edge/releases/riscv64/.

Это делает Alpine Linux привлекательным выбором для экспериментов с RISC-V на недорогих платах разработки или в эмуляторах, особенно учитывая минимальные системные требования дистрибутива.

Gentoo на RISC-V: гибкая система с оптимизацией для каждой платформы

Gentoo Linux, известный своей системой сборки из исходников и высокой настраиваемостью, предоставляет официальную поддержку архитектуры RISC-V. Проект RISC-V в Gentoo нацелен на обеспечение первоклассной поддержки архитектуры процессора RISC-V.

Текущий статус поддержки RISC-V в Gentoo

Этапы (stages) для riscv64 доступны через обычную страницу загрузки Gentoo, и набор пакетов в репозитории Gentoo имеет соответствующие ключевые слова. Доступны этапы для различных конфигураций:

• rv64gc и rv32gc
• с аппаратной (hardd) и программной реализацией операций с плавающей точкой
• с OpenRC и systemd
• с glibc и musl

QEMU может успешно эмулировать бинарные файлы riscv64, что позволяет тестировать в эмулированном chroot-окружении.

Политика ключевых слов для RISC-V в Gentoo

В Gentoo для RISC-V назначено ключевое слово riscv. На данный момент не планируется стабильных ключевых слов riscv. Для пакетов без очевидного аппаратного аспекта, тестирование в qemu-user или qemu-system достаточно для ключевого слова ~riscv. Пакеты с аппаратным аспектом (загрузчик, драйверы и т.д.) должны быть протестированы на реальном оборудовании.

Ubuntu на RISC-V: серверные решения для открытой архитектуры

Ubuntu предлагает образы для платформ RISC-V, ориентированные на разработчиков. Все образы представляют собой 64-битные предварительные сборки Ubuntu Server, которые можно установить на различные платы RISC-V.

Особенности Ubuntu для RISC-V

Ubuntu предоставляет готовые образы для популярных плат RISC-V. Процесс установки относительно прост: выберите образ, соответствующий вашему оборудованию, запишите его на SD-карту или микро-SD-карту, загрузите его на вашу плату, и система готова к работе.

Важно отметить, что по состоянию на 2025 год планируется обновление уровня ISA выше RVA20 с выпуском версии 25.10. Пользователям, нуждающимся в долгосрочной поддержке для оборудования RVA20, рекомендуется установить версию 24.04 LTS.

Debian на RISC-V: стабильная основа для открытой архитектуры

Debian имеет официальный порт для 64-битного RISC-V с прямым порядком байтов (little-endian), работающего на ядре Linux. Этот порт известен как riscv64.

Команда и статус порта Debian для RISC-V

Над портом Debian для RISC-V работает команда разработчиков, включая Aurelien Jarno, Manuel A. Fernandez Montecelo, Adrian Bunk, Adam Borowski и Bo YU. Проект связан с RISC-V Foundation (ныне RISC-V International).

Debian использует GNU-триплет riscv64-unknown-linux-gnu (добавлен 11 сентября 2014 года) и триплет/архитектуру dpkg riscv64 & riscv64-linux-gnu (предложены 28 апреля 2016 года, добавлены 16 января 2018 года).

Текущий статус инструментария и поддержки

Инструментарий для RISC-V (binutils, gcc, gdb, qemu, glibc, linux) интегрирован в апстрим, а инструментарии для кросс-сборки доступны в Debian начиная с выпуска Buster. ABI и требования к процессору финализированы, а пакеты build-essential готовы к установке.

Статус выпуска: доступен в тестовой ветке, но еще не выпущен официально. Установщик периодически собирается, но образы live или для облачных платформ отсутствуют.

Технические особенности работы Linux на RISC-V

Особенности ядра Linux для RISC-V

Основная поддержка RISC-V была добавлена в ядро Linux 5.17 в 2022 году вместе с соответствующим инструментарием9. Это включает поддержку всех основных подсистем, необходимых для полноценной работы операционной системы, таких как управление памятью, планировщик, драйверы устройств и сетевой стек.

Вызов подпрограмм и управление памятью

В RISC-V вызов подпрограммы осуществляется с помощью инструкции jal (jump and link), которая помещает адрес возврата в регистр. Это быстрее во многих компьютерных архитектурах, поскольку экономит доступ к памяти по сравнению с системами, которые напрямую помещают адрес возврата в стек в памяти.

Инструкция jal имеет 20-битное знаковое (дополнение до двух) смещение. Смещение умножается на 2, затем добавляется к PC (счетчику программы) для генерации относительного адреса 32-битной инструкции.

Особенности разработки для RISC-V

Разработка для RISC-V имеет свои особенности, связанные с архитектурой. Это включает работу с регистрами, управление памятью и оптимизацию кода. Благодаря открытости архитектуры, разработчики имеют доступ к полной документации и могут создавать высокооптимизированный код.

Аппаратное обеспечение для RISC-V

На рынке доступен ряд плат разработки и систем на базе RISC-V, которые могут использоваться с различными дистрибутивами Linux. Некоторые из наиболее популярных включают:

• SiFive HiFive Unleashed и Unmatched
• Sipeed LicheeRV
• StarFive VisionFive (V1, V2)
• T-HEAD XuanTie C910
• Другие платы с процессорами RISC-V

Современные гетерогенные системы на чипе (SoC) на базе RISC-V включают смесь многих аппаратных ускорителей и ядер общего назначения, которые могут параллельно выполнять множество приложений. Это создает проблемы в управлении доступом ускорителей к общим ресурсам, таким как иерархия памяти, каналы связи и питание чипа.

В качестве примера можно привести 12-нм SoC на базе RISC-V с поддержкой Linux-SMP, которая имеет 14 типов ускорителей наряду с 4 ядрами RISC-V, способными запускать множество одновременных приложений на операционной системе Linux-SMP.

Эмуляция RISC-V: разработка без реального оборудования

Эмуляция играет важную роль в разработке для RISC-V, особенно учитывая ограниченную доступность физического оборудования. QEMU является основным инструментом эмуляции RISC-V и предлагает два основных режима работы:

1. Эмуляция пользовательского пространства: позволяет запускать бинарные файлы RISC-V на хост-системе с другой архитектурой, без необходимости эмулировать всю систему.
2. Полная системная эмуляция: эмулирует всю систему RISC-V, включая процессор, память и периферийные устройства, позволяя запускать полноценные операционные системы.

Для настройки эмуляции пользовательского пространства QEMU в OpenSUSE требуется выполнить следующие шаги:

1. Установить пакеты qemu и systemd-machined: textzypper in qemu-linux-user systemd-container
2. Зарегистрировать QEMU как обработчик для бинарных файлов RISC-V: textqemu-binfmt-conf.sh --credential yes
3. Подготовить systemd-nspawn для работы без приватной сети: textmkdir /etc/systemd/nspawn cat > /etc/systemd/nspawn/riscv.nspawn << EOF [Network] Private=off [Exec] PrivateUsers=off EOF
4. Загрузить контейнер RISC-V и зарегистрировать его в machined: textmachinectl pull-tar --verify=no \ http://download.opensuse.org/ports/riscv/tumbleweed/images/openSUSE-Tumbleweed-RISC-V-JeOS.riscv64-rootfs.riscv64.tar.xz \ riscv
5. Запустить контейнер и получить доступ к оболочке: textmachinectl start riscv machinectl shell riscv

Эти шаги позволяют создать полноценную среду разработки для RISC-V без необходимости приобретения физического оборудования.

Перспективы развития RISC-V и Linux

Текущие вызовы и ограничения

Несмотря на значительный прогресс, экосистема RISC-V и Linux все еще сталкивается с рядом проблем:

1. Ограниченное аппаратное обеспечение: Хотя количество доступных плат и систем на базе RISC-V растет, их выбор все еще ограничен по сравнению с традиционными архитектурами.
2. Незрелость программного обеспечения: Многие приложения и библиотеки еще не полностью оптимизированы для RISC-V или могут содержать ошибки.
3. Стандартизация: Хотя базовая архитектура RISC-V стандартизирована, различные реализации могут иметь несовместимые расширения или особенности.

Потенциальные применения

RISC-V имеет потенциал для использования в различных областях:

1. Встраиваемые системы: Благодаря простоте и эффективности, RISC-V хорошо подходит для IoT-устройств, контроллеров и других встраиваемых систем.
2. Серверы и облачные вычисления: Открытость архитектуры делает ее привлекательной для компаний, стремящихся к большей независимости от проприетарных решений.
3. Образование и исследования: RISC-V предоставляет идеальную платформу для обучения компьютерной архитектуре и проведения исследований.
4. Высокопроизводительные вычисления: Специализированные реализации RISC-V могут быть оптимизированы для конкретных вычислительных задач.

Заключение

RISC-V представляет собой революционный подход к архитектуре процессоров, предлагая открытую и свободную альтернативу проприетарным решениям. Экосистема Linux активно адаптируется к этой архитектуре, с различными дистрибутивами, предлагающими поддержку RISC-V:

• Fedora делает RISC-V пятой официально поддерживаемой архитектурой, интегрируя его в свою инфраструктуру и предоставляя полноценную среду разработки.
• OpenSUSE предлагает образы Tumbleweed для RISC-V и подробные инструкции по эмуляции.
• Arch Linux имеет порт для RISC-V с поддержкой базовой конфигурации RV64GC.
• Alpine Linux предоставляет minirootfs для RISC-V, идеально подходящий для легких и встраиваемых систем.
• Gentoo поддерживает как 32-битные, так и 64-битные варианты RISC-V с различными конфигурациями.
• Ubuntu предлагает образы Server для различных плат RISC-V.
• Debian имеет официальный порт riscv64 с растущей поддержкой пакетов.

Основная поддержка RISC-V была добавлена в ядро Linux 5.17 в 2022 году, что стало значительным шагом в развитии экосистемы. Эмуляция играет важную роль в разработке для RISC-V, с QEMU в качестве основного инструмента.

По мере развития экосистемы RISC-V и Linux, мы можем ожидать более широкого распространения этой архитектуры в различных областях, от встраиваемых систем до серверов и высокопроизводительных вычислений. Открытость и свобода RISC-V делают его привлекательным выбором для будущего компьютерных технологий, особенно в контексте растущего интереса к открытому аппаратному и программному обеспечению.