【十】搭建基于qemu的仿真环境与应用

目录

 

1 引言

2 qemu简介

3 工具安装

4 环境准备

4.1 cross-toochain安装

4.2 kernel编译

4.3 u-boot编译

4.4 rootfs构建

5 仿真运行

5.1 u-boot加载kernel

5.2 kernel加载rootfs

参考

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1 引言

        本章节中使用qemu的原因是：我们构建的rootfs，需要有平台验证，而qemu是一个非常好的模拟器。

2 qemu简介

        qemu”是一个广泛使用的开源计算机模拟器和虚拟机。"
        当作为模拟器时，可以在一种架构（如x86 PC）下运行另一种架构（如ARM）下的操作系统和程序。通过使用动态转换，它可以获得非常好的性能。
        作为虚拟机时，QEMU可以使用其他虚拟机管理程序（如 Xen 或 KVM）来使用CPU扩展（HVM）进行虚拟化，通过在主机CPU上直接执行客户机代码来获得接近于宿主机的性能。

3 工具安装

        ubuntu20.04源提供相对比较高的QEMU版本，可以选择命令行直接安装。

sudo apt-get install qemu qemu-system qemu-user

        安装完成后，可以通过Tab键补全检查安装好的qemu 工具："qemu-system-" 

root@test:# qemu-
qemu-img                  qemu-system-cris          qemu-system-mips64        qemu-system-ppc64le       qemu-system-tricore
qemu-io                   qemu-system-hppa          qemu-system-mips64el      qemu-system-riscv32       qemu-system-unicore32
qemu-make-debian-root     qemu-system-i386          qemu-system-mipsel        qemu-system-riscv64       qemu-system-x86_64
qemu-nbd                  qemu-system-lm32          qemu-system-moxie         qemu-system-s390x         qemu-system-xtensa
qemu-pr-helper            qemu-system-m68k          qemu-system-nios2         qemu-system-sh4           qemu-system-xtensaeb
qemu-system-aarch64       qemu-system-microblaze    qemu-system-or1k          qemu-system-sh4eb         
qemu-system-alpha         qemu-system-microblazeel  qemu-system-ppc           qemu-system-sparc         
qemu-system-arm           qemu-system-mips          qemu-system-ppc64         qemu-system-sparc64 

        qemu-system-arm用来模拟 32 位的 Arm cpu，比如 Arm9 /Arm11、 Cortex-A7/A9/A15 。

        qemu-system-aarch64来模拟 64 位的 Arm cpu，比如 Arm Cortex A53，A57。

4 环境准备

4.1 cross-toochain安装

         安装32位编译器，用于编译32位的kernel，u-boot。

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi

         安装64位编译器，用于编译64位的kernel，u-boot。 

sudo apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu

4.2 kernel编译

         github上拉去太慢，使用如下地址，通过wget来获取。

         https://mirror.bjtu.edu.cn/kernel/linux/kernel/v5.x/

wget https://mirror.bjtu.edu.cn/kernel/linux/kernel/v5.x/linux-5.10.tar.xz

4.2.1  编译32位kernel

         这里我们使用 vexpress-a9 这款开发板。vexpress-a9 是 Arm 公司自己设计的一款 4 核 Cortex-A9 开发板，U-Boot、Linux Kernel 和 QEMU 对这款开发板都做了完整的支持。当然，如果想搭其它开发板，也不难，只要qemu和内核对它有成熟的支持就够了。

         生成vexpress开发板子的config文件：

make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm vexpress_defconfig

         编译内核：

make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm

         生成的内核镱像位于arch/arm/boot/zImage.。

4.2.2  编译64位kernel

         编译命令：

make ARCH=arm64 defconfig CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

# 如果需要调整配置选项，则使用menuconfig
make ARCH=arm64 menuconfig CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

make ARCH=arm64 Image -j8 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

         生成的内核镱像位于arch/arm64/boot/Image.。 

4.3 u-boot编译

4.3.1 使用32位工具

         github上拉去太慢，使用如下地址，通过wget来获取。

         https://ftp.denx.de/pub/u-boot/

wget https://ftp.denx.de/pub/u-boot/u-boot-2020.10.tar.bz2

         下载完后，可以看到 configs 目录下有针对这款开发板的配置文件。ca9x4表示cortexA9架构，4核心。

vexpress_ca9x4_defconfig

 

           编译：

make vexpress_ca9x4_defconfig
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all

           最终编译生成 elf 格式的可执行文件 u-boot 和纯二进制文件u-boot.bin，其中 QEMU 可以启动的为 elf 格式的可执行文件 u-boot 。

4.3.2 使用64位工具

 

 

4.4 rootfs构建

 

5 仿真运行

5.1 u-boot加载kernel

5.1.1 单独启动u-boot

sudo qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel where_is_directory/u-boot -nographic

 

5.1.2 单独启动kernel

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel /kernel_direcotry/arch/arm/boot/zImage -dtb  /kernel_direcotry/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0"

qemu命令的参数：

-M vexpress-a9 模拟vexpress-a9单板。

-m 512M 单板运行物理内存512M

-kernel /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/zImage  告诉qemu单板运行内核镜像路径

-nographic 不使用图形化界面，只使用串口

-append "console=ttyAMA0" 内核启动参数，这里告诉内核vexpress单板运行，串口设备是那个tty。

5.1.3 u-boot加载kernel

           1）QEMU 可以模拟 sd 卡等外设。我们就把编译好的固件放在一个模块的 sdcard 上，让 QEMU 从这张模拟的 sd 卡上启动 Linux 系统：

制作 sd 卡镜像，并将它格式化成 fat 格式：
dd if=/dev/zero of=sd.img bs=4096 count=4096
mkfs.ext4 sd.img

把编译好的 kernel zImage 和 dtb 文件拷贝到 sd.img 中:
sudo mount sd.img mnt/ -o loop,rw
sudo cp kernel_directory/arch/arm/boot/zImage /mnt/
sudo cp kernel_directory/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb /mnt/
sudo umount /mnt

           2）启动 QEMU 

sudo qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel uboot_directory/u-boot -nographic  -sd sd.img

-kernel 指定 QEMU 启动时首先执行的程序，我们这里指定为前面编译好的 u-boot 可以执行文件，通过u-boot去加载kernel。

 

           上图所示u-boot 已经顺利启动并进入命令行模式，下面我们来启动 Linux Kernel

           3）首先通过 ext4load 命令把 sd.img 里面的 zImage 和 dtb 文件读到开发板的内存中：

ext4load mmc 0:0 0x60008000 zImage
ext4load mmc 0:0 0x62008000 vexpress-v2p-ca9.dtb

            注意：如果失败，请重复几次。

            4）通过 bootz 命令启动 Linux Kernel：

bootz 0x60008000 - 0x62008000

             注意事项： 0x60008000  0x62008000是怎么确认的这个地址？

             1. 通过 “textofs” 查看Linux kernel zImage 执行地址对应的内存偏移地址，为：0x00008000

root@test:/home/work/qemu_test/linux-5.10# grep -nr "textofs" ./
./arch/arm/Makefile:141:textofs-y    := 0x00008000
./arch/arm/Makefile:143:textofs-$(CONFIG_PM_H1940)      := 0x00108000
./arch/arm/Makefile:145:textofs-$(CONFIG_ARCH_REALTEK)  := 0x00108000
./arch/arm/Makefile:148:textofs-$(CONFIG_SA1111) := 0x00208000

              2. u-boot 命令行中输入bdinfo命令，可以查到这块开发板内存的起始地址。

=> bdinfo
boot_params = 0x60002000
DRAM bank   = 0x00000000
-> start    = 0x60000000
-> size     = 0x20000000

              从上图中可以看到这块开发板的内存实际地址为 0x60000000，所以对应内核的起始地址为：0x60008000。dtb 的加载地址没有特别的要求，一般注意和 Linux Kernel Image 避开，不要重叠即可； 

5.2 kernel加载rootfs

 

注意事项

1）你可以使用-M ?参数来获取该qemu版本支持的所有单板

root@test:/home/work/qemu_test# qemu-system-arm -M ?
Supported machines are:
akita                Sharp SL-C1000 (Akita) PDA (PXA270)
ast2500-evb          Aspeed AST2500 EVB (ARM1176)
borzoi               Sharp SL-C3100 (Borzoi) PDA (PXA270)
canon-a1100          Canon PowerShot A1100 IS
cheetah              Palm Tungsten|E aka. Cheetah PDA (OMAP310)
collie               Sharp SL-5500 (Collie) PDA (SA-1110)
connex               Gumstix Connex (PXA255)
cubieboard           cubietech cubieboard
emcraft-sf2          SmartFusion2 SOM kit from Emcraft (M2S010)
highbank             Calxeda Highbank (ECX-1000)
imx25-pdk            ARM i.MX25 PDK board (ARM926)
integratorcp         ARM Integrator/CP (ARM926EJ-S)
kzm                  ARM KZM Emulation Baseboard (ARM1136)
lm3s6965evb          Stellaris LM3S6965EVB
lm3s811evb           Stellaris LM3S811EVB
mainstone            Mainstone II (PXA27x)
midway               Calxeda Midway (ECX-2000)
mps2-an385           ARM MPS2 with AN385 FPGA image for Cortex-M3
mps2-an511           ARM MPS2 with AN511 DesignStart FPGA image for Cortex-M3
musicpal             Marvell 88w8618 / MusicPal (ARM926EJ-S)
n800                 Nokia N800 tablet aka. RX-34 (OMAP2420)
n810                 Nokia N810 tablet aka. RX-44 (OMAP2420)
netduino2            Netduino 2 Machine
none                 empty machine
nuri                 Samsung NURI board (Exynos4210)
palmetto-bmc         OpenPOWER Palmetto BMC (ARM926EJ-S)
raspi2               Raspberry Pi 2
realview-eb          ARM RealView Emulation Baseboard (ARM926EJ-S)
realview-eb-mpcore   ARM RealView Emulation Baseboard (ARM11MPCore)
realview-pb-a8       ARM RealView Platform Baseboard for Cortex-A8
realview-pbx-a9      ARM RealView Platform Baseboard Explore for Cortex-A9
romulus-bmc          OpenPOWER Romulus BMC (ARM1176)
sabrelite            Freescale i.MX6 Quad SABRE Lite Board (Cortex A9)
smdkc210             Samsung SMDKC210 board (Exynos4210)
spitz                Sharp SL-C3000 (Spitz) PDA (PXA270)
sx1                  Siemens SX1 (OMAP310) V2
sx1-v1               Siemens SX1 (OMAP310) V1
terrier              Sharp SL-C3200 (Terrier) PDA (PXA270)
tosa                 Sharp SL-6000 (Tosa) PDA (PXA255)
verdex               Gumstix Verdex (PXA270)
versatileab          ARM Versatile/AB (ARM926EJ-S)
versatilepb          ARM Versatile/PB (ARM926EJ-S)
vexpress-a15         ARM Versatile Express for Cortex-A15
vexpress-a9          ARM Versatile Express for Cortex-A9
virt-2.10            QEMU 2.10 ARM Virtual Machine
virt                 QEMU 2.11 ARM Virtual Machine (alias of virt-2.11)
virt-2.11            QEMU 2.11 ARM Virtual Machine
virt-2.6             QEMU 2.6 ARM Virtual Machine
virt-2.7             QEMU 2.7 ARM Virtual Machine
virt-2.8             QEMU 2.8 ARM Virtual Machine
virt-2.9             QEMU 2.9 ARM Virtual Machine
xilinx-zynq-a9       Xilinx Zynq Platform Baseboard for Cortex-A9
z2                   Zipit Z2 (PXA27x)

2）可以通过参数 -machine help 来查看QEMU支持的设备模块

root@test:/home/work/qemu_test# qemu-system-arm -machine help
Supported machines are:
akita                Sharp SL-C1000 (Akita) PDA (PXA270)
ast2500-evb          Aspeed AST2500 EVB (ARM1176)
borzoi               Sharp SL-C3100 (Borzoi) PDA (PXA270)
canon-a1100          Canon PowerShot A1100 IS
cheetah              Palm Tungsten|E aka. Cheetah PDA (OMAP310)
collie               Sharp SL-5500 (Collie) PDA (SA-1110)
connex               Gumstix Connex (PXA255)
cubieboard           cubietech cubieboard
emcraft-sf2          SmartFusion2 SOM kit from Emcraft (M2S010)
highbank             Calxeda Highbank (ECX-1000)
imx25-pdk            ARM i.MX25 PDK board (ARM926)
integratorcp         ARM Integrator/CP (ARM926EJ-S)
kzm                  ARM KZM Emulation Baseboard (ARM1136)
lm3s6965evb          Stellaris LM3S6965EVB
lm3s811evb           Stellaris LM3S811EVB
mainstone            Mainstone II (PXA27x)
midway               Calxeda Midway (ECX-2000)
mps2-an385           ARM MPS2 with AN385 FPGA image for Cortex-M3
mps2-an511           ARM MPS2 with AN511 DesignStart FPGA image for Cortex-M3
musicpal             Marvell 88w8618 / MusicPal (ARM926EJ-S)
n800                 Nokia N800 tablet aka. RX-34 (OMAP2420)
n810                 Nokia N810 tablet aka. RX-44 (OMAP2420)
netduino2            Netduino 2 Machine
none                 empty machine
nuri                 Samsung NURI board (Exynos4210)
palmetto-bmc         OpenPOWER Palmetto BMC (ARM926EJ-S)
raspi2               Raspberry Pi 2
realview-eb          ARM RealView Emulation Baseboard (ARM926EJ-S)
realview-eb-mpcore   ARM RealView Emulation Baseboard (ARM11MPCore)
realview-pb-a8       ARM RealView Platform Baseboard for Cortex-A8
realview-pbx-a9      ARM RealView Platform Baseboard Explore for Cortex-A9
romulus-bmc          OpenPOWER Romulus BMC (ARM1176)
sabrelite            Freescale i.MX6 Quad SABRE Lite Board (Cortex A9)
smdkc210             Samsung SMDKC210 board (Exynos4210)
spitz                Sharp SL-C3000 (Spitz) PDA (PXA270)
sx1                  Siemens SX1 (OMAP310) V2
sx1-v1               Siemens SX1 (OMAP310) V1
terrier              Sharp SL-C3200 (Terrier) PDA (PXA270)
tosa                 Sharp SL-6000 (Tosa) PDA (PXA255)
verdex               Gumstix Verdex (PXA270)
versatileab          ARM Versatile/AB (ARM926EJ-S)
versatilepb          ARM Versatile/PB (ARM926EJ-S)
vexpress-a15         ARM Versatile Express for Cortex-A15
vexpress-a9          ARM Versatile Express for Cortex-A9
virt-2.10            QEMU 2.10 ARM Virtual Machine
virt                 QEMU 2.11 ARM Virtual Machine (alias of virt-2.11)
virt-2.11            QEMU 2.11 ARM Virtual Machine
virt-2.6             QEMU 2.6 ARM Virtual Machine
virt-2.7             QEMU 2.7 ARM Virtual Machine
virt-2.8             QEMU 2.8 ARM Virtual Machine
virt-2.9             QEMU 2.9 ARM Virtual Machine
xilinx-zynq-a9       Xilinx Zynq Platform Baseboard for Cortex-A9
z2                   Zipit Z2 (PXA27x)

3）退出qemu的状态

      先按一下：ctrl+A，然后再按X 

参考

https://wiki.archlinux.org/title/QEMU_(%E7%AE%80%E4%BD%93%E4%B8%AD%E6%96%87)