使用QEMU（x86）模拟运行ARM64架构并进行内核调试

在 x86 上使用 QEMU 虚拟机模拟并调试 ARM64。
参考：ubuntu虚拟机中使用QEMU搭建ARM64环境

准备工作

• 主机 ubuntu 20.04, Linux 5.16.0
• QEMU emulator version 7.2.92 (v8.0.0-rc2-23-gefcd0ec14b) ：qemu-7.2.29
• 合适的ARM64内核源码：linux-4.14.221.tar.gz
• 安装交叉编译工具：sudo apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu

安装 QEMU

命令安装以及源码安装均不支持树莓派4B平台

1. 命令安装qemu：sudo apt install qemu-system-arm，qemu-system-aarch64 --help
2. 采用编译安装方式安装 qemu-5.2.0/qemu-7.2。
3. 注意环境变量：export ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

但是，命令安装不支持树莓派4。

jiaming@jiaming-pc:~/Documents/jailhouse-rpi4$ qemu-system-aarch64 -M ?
Supported machines are:
...
raspi2               Raspberry Pi 2
raspi3               Raspberry Pi 3
realview-eb          ARM RealView Emulation Baseboard (ARM926EJ-S)
...

2. 采用编译安装方式安装 qemu-5.2.0/qemu-7.2。

安装 ninja。

git clone https://github.com/ninja-build/ninja.git && cd ninja
./configure.py --bootstrap
cp ninja /usr/bin/

• qemu-5.2.0
• qemu-7.2.29

./configure --target-list=aarch64-softmmu,aarch64-linux-user --enable-debug
make -j4
make install

使用 debootstrap 制作根文件系统

安装软件包

$ sudo apt-get install bison flex bc build-essential libncurses* libssl-dev
$ sudo apt-get install  qemu-user-static binfmt-support debootstrap

初始化根文件系统

$ sudo su - root
$ debootstrap --arch=arm64 --foreign buster linux_rootfs http://mirrors.ustc.edu.cn/debian/ # linux_rootfs：本地目录，最后制作好的文件系统会在此目录

$sudo cp /usr/bin/qemu-aarch64-static ./linux_rootfs/usr/bin/

$ sudo chroot linux_rootfs/ debootstrap/debootstrap --second-stage

进入根文件系统

$ chroot linux_rootfs/

配置root用户密码

passwd root

添加用户以及设置密码

useradd -G sudo -m -s /bin/bash XXX
passwd XXX

设置主机名

echo XXX-PC > /etc/hostname

设置网络

$ echo "auto lo" > /etc/network/interfaces
$ echo "iface lo inet loopback" >> /etc/network/interfaces
$ echo "allow-hotplug enp0s1" > /etc/network/interfaces
$ echo "iface enp0s1 inet dhcp" >> /etc/network/interfaces

安装依赖

$ apt update
$ apt install net-tools build-essential

制作ext4文件系统

$ dd if=/dev/zero of=linux_rootfs.ext4 bs=1M count=2048

使用 mkfs.ext4 命令格式化：

$ mkfs.ext4 linux_rootfs.ext4

挂载并拷贝内容：

$ mkdir -p tmpfs
$ sudo mount -t ext4 linux_rootfs.ext4 tmpfs/ -o loop
$ sudo cp -af linux_rootfs/* tmpfs/
$ sudo umount tmpfs
$ sudo chmod 777 linux_rootfs.ext4

内核编译

$ cd linux-4.14.221/
$ export ARCH=arm64 ROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
$ make defconfig
$ make -j4

编译内核时开启 CONFIG_GDB_SCRIPTS，关闭 CONFIG_DEBUG_INFO_REDUCED。 如果架构支持 CONFIG_FRAME_POINTER，请保持开启。

编译成功后，在 arch/arm64/boot/ 目录下生成 Image 文件。

QEMU 模拟 ARM64 架构启动

启动命令：

qemu-system-aarch64 \
-m 1024 \
-cpu cortex-a57 \
-M virt -nographic \
-smp 4 \
-kernel linux-4.14.221/arch/arm64/boot/Image \
-append "noinintrd sched_debug root=/dev/vda rootfstype=ext4 rw crashkernel=256M loglevel=8" \
-drive if=none,file=linux_rootfs.ext4,id=hd0 \
-device virtio-blk-device,drive=hd0 

• qemu-system-aarch64: QEMU 指令，用于启动一个 AARCH64 虚拟机。
• -m 1024 : 设置虚拟机的内存大小为 1GB。
• -cpu cortex-a57 : 执行虚拟机使用的CPU型号 A57。
• -M virt -nographic : 设置 QEMU 为虚拟化模式，并且不显示图形界面。
• -smp 4 : 设置虚拟机支持的最大线程数目为 4。
• -kernel linux-4.14.221/arch/arm64/boot/Image : 指定要加载的 Linux 内核文件。
• -append "noinintrd sched_debug root=/dev/vda rootfstype=ext4 rw crashkernel=256M loglevel=8": 添加内核参数，以启用 noinintrd sched_debug 调试选项，并将根目录设置为 VDA 中的 /dev/vda。
• if=none,file=linux_rootfs.ext4,id=hd0: 指定要使用的存储设备为 IDE 控制器上的 HD0 设备，文件名为 linux_rootfs.ext4。
• -device virtio-blk-device,drive=hd0 : 指定要使用的 virtio blk 设备，用于存储设备。

至此，模拟环境搭建完毕！

调试

交叉编译 strace 并安装

• strace

生成编译引导文件

./bootstrap

arm64交叉编译

./configure CC=aarch64-linux-gnu-gcc LD=aarch64-linux-gnu-ld --host=aarch64-linux --enable-mpers=no

编译

make LDFLAGS+="-static -pthread"

添加至根文件系统

sudo mount -t ext4 linux_rootfs.ext4 tmpfs/ -o loop
sudo cp -af strace/src/strace tmpfs/bin/
sudo umount tmpfs

strace 使用：linux strace 命令

交叉编译 gdb 并安装

不支持 gui。

• gdb-8.0
• sudo apt-get install g++-9-aarch64-linux-gnu

export CC=aarch64-linux-gnu-gcc CXX=aarch64-linux-gnu-g++-9
cd gdb-8.0/
mkdir gdb-build
./configure --host=aarch64-linux-gnu --target=aarch64-linux-gnu --program-prefix=aarch64-linux- --prefix=/home/jiaming/Documents/jailhouse-rpi4/qemu-arm64/gdb-8.0/gdb-build
make
sudo make install
sudo cp /usr/aarch64-linux-gnu/lib/* /lib/

出现编译错误以及解决方案：https://blog.csdn.net/weixin_44602409/article/details/115716913

vim ~/.bashrc，添加：

export PATH=$PATH:/home/jiaming/Documents/jailhouse-rpi4/qemu-arm64/gdb-8.0/gdb-build/bin

调试内核

1. QEMU 命令启动内核，加入 -S -s 参数。

• -S 就是挂起gdbserver，让 gdb 工具远程连接。
• -s 默认使用1234端口进行远程调试

内核启动挂起，等待 gdb 连接。

2. 新的命令窗口中，启动 gdb 命令 jiaming@jiaming-pc:~/Documents/jailhouse-rpi4/qemu-arm64/linux-4.14.221$ aarch64-linux-gdb vmlinux，并使用默认端口连接，target remote localhost:1234。

退出 gdb 工具后，内核继续启动，输出启动信息。

后记

1. 当编译过程中出现 ld 错误时，可以考虑更换编译器版本。make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- LD=/home/jiaming/gnu/aarch64/lin/aarch64-linux/bin/aarch64-linux-gnu-ld
   亦或者，全部指定：

make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu- CC=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-gcc LD=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-ld AR=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-ar install

2. qemu 目前最新版本不支持 rpi4 平台模拟。
3. 在gparted工具中，发现磁盘均是灰色的，说明磁盘已经被挂载了，实际上不需要挂载。

使用 busybox

• busybox-1.29.0
• 安装交叉编译工具链（linaro-7.5），默认的 9.x 版本编译出错。

wget  https://busybox.net/downloads/busybox-1.29.0.tar.bz2
tar -xjf busybox-1.29.0.tar.bz2
cd busybox-1.29.0
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu- CC=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-gcc LD=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-ld AR=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-ar menuconfig
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu- CC=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-gcc LD=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-ld AR=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-ar
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu- CC=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-gcc LD=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-ld AR=/home/jiaming/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-ar install

dd if=/dev/zero of=busybox-1.29.0-rootfs_ext4.img bs=1M count=100 oflag=direct
mkfs.ext4 busybox-1.29.0-rootfs_ext4.img
mkdir rootfs
sudo mount busybox-1.29.0-rootfs_ext4.img rootfs/
sudo cp -raf busybox-1.29.0/_install/* rootfs/

cd rootfs
sudo mkdir -p proc sys tmp root var mnt dev
sudo mknod dev/tty1 c 4 1
sudo mknod dev/tty2 c 4 2
sudo mknod dev/tty3 c 4 3
sudo mknod dev/tty4 c 4 4
sudo mknod dev/console c 5 1
sudo mknod dev/null c 1 3
sudo cp -r ../busybox-1.29.0/examples/bootfloppy/etc/ .

cd ..
sudo umount rootfs

QEMU 启动命令：qemu-system-aarch64 -m 1024 -cpu cortex-a57 -machine virt,gic-version=3,virtualization=on -kernel Image -append "console=ttyAMA0 root=/dev/vda init=/linuxrc rw" -hda busybox-1.29.0-rootfs_ext4.img -monitor stdio

挂载 /dev/vda 作为根文件系统，需要在内核中配置如下选项

CONFIG_VIRTIO_BLK=y
CONFIG_VIRTIO_PCI=y
CONFIG_EXT4_FS=y

否则会出现该错误：

Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(254,0)

QEMU 启动时弹出新的窗口

安装 sdl

安装 sdl: https://blog.csdn.net/qq_22948593/article/details/109740372，不需要交叉编译。
https://www.libsdl.org/release/SDL2-2.0.14.tar.gz

重新安装 QEMU

./configure --target-list=aarch64-softmmu,aarch64-linux-user --enable-debug --enable-sdl
make -j4
make install

有 -nographic 参数：

无 -nographic 参数：

无 -nographic 参数，加入 -monitor stdio 参数：

按 q 退出。