使用qemu搭建arm嵌入式linux开发环境
qemu搭建arm虚拟嵌入式linux开发环境
- 1.前言
- 1.安装qemu与arm交叉编译工具
- 2.Linux内核与设备树编译
- 3.busybox根文件系统制作
- 4.使用u-boot加载Linux内核
- 5.搭建网络开发环境
- 6.挂载NFS网络文件系统
1.前言
对于很多新手来说，上手嵌入式Linux开发是有一定的难度的——往往是各种名词听了一大堆，真正去操作的时候，对着开发板一脸茫然，不知从何下手。其实作为初学者，我们完全可以通过虚拟机来掌握嵌入式Linux的开发框架和基本流程，从而避免硬件上的一些坑。等到我们对整个开发过程比较了解之后，再去上手开发板就会事半功倍。
首先，我们需要了解一些基本概念：
arm交叉编译器：在主机上编译能够在arm开发板上运行的代码。
linux内核：linux运行的核心代码。
linux内核模块：动态可加载内核模块，执行时依赖于内核，可以看做是内核的一个拓展，包含各种驱动程序（驱动开发就主要是这一块）。
linux设备树：与硬件相关，用来描述芯片平台及板级差异的。
根文件系统：内核启动时挂载的第一个文件系统，用来访问各种目录和文件，与内核互相独立。
bootloader：开发板启动时的引导程序，一般使用u-boot来制作。
所以，为了在arm开发板上成功运行Linux系统，我们有如下三个方面的任务：
- 制作bootloader；
- 编译linux内核、linux内核模块、linux设备树；
- 制作根文件系统。
下面，我们使用qemu虚拟机来上手嵌入式linux的开发。
1.安装qemu与arm交叉编译工具
在命令行输入以下内容安装ARM交叉编译工具：
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
安装qemu：
sudo apt-get install qemu
若需要安装较新版本的qemu，可以自行下载源码手动编译安装）
使用qemu-system-命令可以查看qemu支持的CPU架构。
使用qemu-system-arm --version命令可以查看qemu的版本。
使用qemu-system-arm -M help命令可以查看支持的开发板类别。
2.Linux内核与设备树编译
下载Linux内核：https://www.kernel.org/
选择长期维护的4.4版本 ，点击tarball进行下载：
将下载下来的Linux内核拷贝到home目录，使用tar xvf linux-4.4.232.tar.xz进行解压缩。
解压好后输入cd linux-4.4.232/进入linux内核目录下
修改Makefile：vim Makefile
搜索交叉编译关键字，在vim编辑器中输入：/CROSS_COMPILE，然后回车
向下移动光标，找到关键字ARCH和CROSS_COMPILE，按i键进入插入文本模式，将其修改为如下内容：
按Esc键切换为一般模式，输入:wq保存并退出。
这里我们选择vexpress系列作为我们虚拟开发板，在linux内核目录下，输入make vexpress_defconfig对开发板进行配置，编译后生成.config文件：
配置好后，编译内核，生成zImage镜像文件：make zImage -j6（多线程编译）
编译内核模块：make modules -j4
编译设备树，获得dtb文件：make dtbs
在linux内核目录下，使用qemu运行内核：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel arch/arm/boot/zImage -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0"，该命令指定了开发板类别、内存大小、内核zImage文件、dtb文件、无图形界面、串口。
可以看到内核开始运行起来：
但是卡在了挂载根文件系统处，别急，接着往下看。
3.busybox根文件系统制作
使用ps命令查看qemu进程：ps -a
使用kill命令结束qemu进程：kill 25906
接下来，使用busybox制作根文件系统。
下载源码：https://busybox.net/downloads/，下载最新版本即可。
解压缩：tar xvf busybox-1.32.0.tar.bz2
进入busybox源码目录：cd busybox-1.32.0/
修改Makefile：vim Makefile
在vim编辑器中输入/CROSS_COMPILE查找关键字CROSS_COMPILE。
向下移动光标，找到关键字所在处，按i键切换到插入模式，并将值修改为arm-linux-gnueabi-：
按Esc退出插入模式，输入/ARCH查找关键字ARCH。
向下移动光标，找到关键字，按i切换到插入模式，并将值修改为arm：
按Esc键，输入:wq保存退出。
接着，输入命令make defconfig回车等待配置完毕。
也可以使用图形化配置make menuconfig，按回车然后进入Settings选项，找到Build Options，点y键将选项Build static binary（编译成静态）选中，然后退出：
回到命令行，直接编译：make -j4
然后执行make install，生成一个**_install文件夹。
准备好后，下一步开始制作根文件系统。
输入cd回到home目录，新建目录mkdir rootfs，进入该目录cd rootfs/，将刚才生成的_install**目录里的所有文件拷贝到该目录下：
cp -r /home/zvcv/Downloads/busybox-1.32.0/_install/* ./
新建目录mkdir lib，将arm交叉编译器的库复制过来：
cp -r /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* lib/
在rootfs目录下新建目录mkdir dev/，进入该目录cd dev/，创建节点sudo mknod -m 666 tty1 c 4 1（这里创建了一个串口字符设备，主设备号为4，从设备号为1）。
重复创建多个串口设备，注意分配好从设备号：
创建一个控制台节点：mknod -m 666 console c 5 1
创建一个空节点：mknod -m 666 null c 1 3
创建好的字符设备用ls查看：
回到home目录，输入命令dd if=/dev/zero of=rootfs.ext3 bs=1M count=32生成虚拟SD卡系统镜像，可以得到一个rootfs.ext3文件。
格式化该镜像：mkfs.ext3 rootfs.ext3
挂载该镜像到本地：mount -t ext3 rootfs.ext3 /mnt -o loop
将之前准备的rootfs目录下的所有文件都拷贝到该镜像挂载点：cp -r /home/zvcv/rootfs/* /mnt/
卸载：umount /mnt/
进入linux源码目录： cd linux/
使用qemu启动内核：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel arch/arm/boot/zImage -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd /home/zvcv/rootfs.ext3，这里比之前多指定了一个sd镜像。
点击回车，进入命令行，linux启动完毕。
若要图形化启动，使用命令：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel arch/arm/boot/zImage -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=tty0" -sd rootfs.ext3
4.使用u-boot加载Linux内核
下载源码：u-boot下载，选择合适的版本即可。
（较新版本的u-boot需要更高版本的gcc来编译，为了方便起见，可以选用较早版本的u-boot）
下载后解压缩：tar xvf u-boot-2020.07.tar.bz2
切换到目录：cd u-boot-2020.07
编辑Makefile文件：vim Makefile
查找关键字：/CROSS_COMPILE
向下翻，找到CROSS_COMPILE，按i键切换模式，修改为如下内容：
按Esc键退出插入模式，输入:wq保存并退出。
命令行输入vim config.mk
查找关键字：/ARCH
按i键切换模式，修改关键字的值：
按Esc键退出插入模式，输入:wq保存并退出。
命令行输入命令进行配置：make vexpress_ca9x4_defconfig
配置好后，编译：make -j4
若make时出现下图中的问题，可能是交叉编译gcc的版本太低，下载新版本点击下载。
先移除旧版：sudo apt-get remove gcc-arm-linux-gnueabi
解压：tar -vxf gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi.tar.xz
拷贝：sudo cp -r ./gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi /opt/
编辑环境变量：sudo vim /etc/bash.bashrc，文件末尾添加如下内容：
PATH="$PATH:/opt/gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi/bin"
使路径生效：source /etc/bash.bashrc
使用arm-linux-gnueabi-gcc -v查看编译器版本
若make时出现如下错误：
则编辑环境变量：vim ~/.bashrc
按G跳到文件结尾，按i键输入，添加如下内容：
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
export ARCH=arm
更新环镜变量：source ~/.bashrc
然后再次执行即可：
make vexpress_ca9x4_defconfig
make -j4
若make时又出现如下错误：
则需要安装device-tree-compiler：sudo apt-get install device-tree-compiler
make完成后，启动u-boot：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -nographic -kernel u-boot（注意：按下enter键后，会出现一个2s倒计时，询问你是否停止自动启动，直接回车就可以跳过启动过程中各种外设的加载）
输入命令测试：help，可以查看支持的命令。
运行成功后，删除该qemu进程：ps -a查找PID号，kill命令删除
5.搭建网络开发环境
qemu通过tftp工具下载内核镜像。
接下来配置主机和qemu之间的网络连接。
安装工具包：sudo apt-get install uml-utilities bridge-utils
查看主机网口，命令行输入：ifconfig ，记下网口名和IP地址
然后，修改网络接口文件：vim /etc/network/interfaces
添加虚拟网口，配置为桥接模式，添加信息如下：
auto ens33
auto br0
iface br0 inet dhcp
bridge_ports ens33
保存退出，使用命令重启网络：service networking restart
若失败，则重启Ubuntu：reboot
使用ifconfig命令查看生成的虚拟网口br0：
检查无误后，进入linux内核目录：cd linux-4.4.232/
将内核编译为uImage模式：make LOADADDR=0x60003000 uImage -j4
查看生成的镜像文件：ls arch/arm/boot/：
可以看到多了一个uImage。
在主机上安装TFTP工具：sudo apt-get install tftp-hpa tftpd-hpa xinetd
修改文件权限：chmod 777 /etc/default/tftpd-hpa
再修改配置文件：vim /etc/default/tftpd-hpa，如下图所示：
在主目录创建tftp文件夹：mkdir /home/zvcv/tftpboot，一定要和上面的一致，不然会出错。
修改权限：chmod 777 tftpboot
重启tftp服务：
sudo /etc/init.d/tftpd-hpa restart
把之前生成的的uImage和dtb文件拷贝到刚创建的目录下：
cp -p ./arch/arm/boot/uImage /home/zvcv/tftpboot/
cp -p ./arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb /home/zvcv/tftpboot/
自动引导设置
进入u-boot-2017.05目录：cd u-boot-2017.05/
修改配置文件：vim include/configs/vexpress_common.h
查找关键字：/BOOTCOMMAND
注释宏定义CONFIG_BOOTCOMMAND，并添加如下内容（190~197行）：
其中，CONFIG_SERVERIP地址根据你主机ifconfig的结果来设置，比如我的是192.168.155.128。
CONFIG_IPADDR与CONFIG_SERVERIP设置为同一网段（不冲突就行），如192.168.155.129。
然后，保存退出即可。
如果用ifconfig命令查看ens33网口时，发现没有显示ip地址，可以通过命令ifconfig ens33 192.168.155.128来手动配置ip地址。同样，也可以用ifconfig br0 192.168.155.129来设置br0网口ip地址。
用ping命令测试是否配置成功：
ping 192.168.155.128
ping 192.168.155.129
能够ping通则说明配置成功：
可以按ctrl+c来停止ping的运行。
接着，在u-boot-2017.05目录下重新编译生成u-boot：
make -j4
拷贝u-boot文件到创建的tftpboot目录下：
cp -p ./u-boot /home/zvcv/tftpboot/
tftpboot目录包含的文件如下图所示：
拷贝完成后，进入刚才创建的目录：cd /home/zvcv/tftpboot
启动u-boot引导uImage：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -kernel u-boot -nographic -m 512M -net nic,vlan=0 -net tap,vlan=0,ifname=tap0 -sd /home/zvcv/rootfs.ext3，其中rootfs.ext3是前面制作的文件系统。
正常启动如下图所示：
如果启动失败，可以reboot重启一下主机，再执行上述命令。
为了方便起见，可以把上述命令放进一个脚本文件。
创建并编辑文件：vim boot-script.sh，添加内容如下图所示：
保存退出后，就可以通过输入./boot-script直接调用该启动命令了。
启动完后，可以输入命令进行测试：
可以看到，u-boot引导的linux内核能正常工作了。
6.挂载NFS网络文件系统
安装NFS服务：sudo apt-get install nfs-kernel-server
配置NFS挂载目录：vim /etc/exports，添加下面一行内容：
其中rootfs是前面小节创建的用于制作跟文件系统的目录。
开启NFS服务：
/etc/init.d/rpcbind restart
/etc/init.d/nfs-kernel-server restart
切换到内核目录，图形化配置内核，使其支持NFS： make menuconfig
然后重新编译内核：make -j4
切换到u-boot目录，编辑文件：vim include/configs/vexpress_common.h
修改关键字：
#define CONFIG_BOOTCOMMAND \
"tftp 0x60003000 uImage;tftp 0x60500000 vexpress-v2p-ca9.dtb; \
setenv bootargs 'root=/dev/nfs rw\
nfsroot=192.168.232.20:/home/qemu-test/rootfs init=/linuxrc \
ip=192.168.232.21\
console=ttyAMA0'; \
bootm 0x60003000 - 0x60500000;"
qemu启动u-boot：
qemu-system-arm \
-M vexpress-a9 \
-kernel u-boot \
-m 512M \
-nographic \
-net nic,vlan=0 -net tap,vlan=0,ifname=tap0 \
-append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0"\
教程参考来自《嵌入式工程师自我修养》系列视频。