qemu嵌入式ARM快速体验

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qemu环境准备

软件准备

• 日期：2018.04.12
• 宿主机系统平台：Win7 64 + VMware（10~12）+ Ubuntu16.04 + VMwareTools
• 代码编辑管理工具：git、vim、vscode
• u-boot 版本：u-boot-2015-04
• Linux kernel版本：linux-4.x
• busybox版本：1_24_stable
• 交叉编译工具链：arm-none-linux-gnueabi-
• qemu版本：stable-2.8

安装QEMU编译依赖包

sudo apt-get install zlib1g-dev
sudo apt-get install libglib2.0-0 libglib2.0-dev
sudo apt-get install libsdl1.2-dev
sudo apt-get install libpixman-1-dev libfdt-dev
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi

自动安装qemu

sudo apt-get install qemu

手动编译安装（推荐）

为什么推荐手动安装：因为我们操作虚拟硬件时需要源码包提供虚拟硬件信息

• 获取QEMU源代码：git clone https://gitee.com/mirrors/qemu（码云上找最新official）
• 切换到一个稳定版本：git checkout v2.8.0（git branch -a查看所有分支）
• 安装配置环境：git submodule update --init dtc
• 编译配置：./configure --prefix=/opt/qemu --target-list=arm-softmmu,arm-linux-user --enable-debug
• 编译安装：make && make install

课外知识：
查看版本标签：git tag（标签可以查看更细分支）
基于远程分支新建一个本地分支：git checkout remotes/origin/stable-2.8 -b 2.8

QEMU裸跑hello程序

这里的裸跑C hello程序并不是真的裸跑，而是直接使用qemu已经建立好的完整ARM嵌入式系统来跑一个通用的helloworld程序，其他架构类似。

新建代码：编写一个通用的helloworld程序源代码。
静态编译：arm-none-linux-gnueabi-gcc hello.c -static
执行程序：qemu-arm a.out

新建代码：编写一个通用的helloworld程序源代码。
静态编译：arm-linux-gnueabi-gcc hello.c -static
执行程序：qemu-arm a.out

• hello.c源代码：

#include 
int main(void)
{
    printf("hello world!\n");
    return 0;
}

制作Linux内核及设备树文件

• 官网内核版本选择：longterm（长期维护）4.x（其中X为偶数为稳定）
• 解压内核：tar -xJvf linux-4.4.tar.xz ; cd linux-
• 修改Makefile：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
• 配置内核：cp arch/arm/configs/vexpress_defconfig ./.config ; make menuconfig（arch/arm/configs目录有各种默认配置）
• 编译内核：make zImage[V=1表示完整显示编译过程]
  （arch/arm/boot/zImage、dts/（不同开发板有不同dts文件））
• 编译内核模块：make modules[V=1表示完整显示编译过程]
• 编译dtb文件：make dtbs[V=1表示完整显示编译过程]

使用QEMU启动Linux内核

• 文件列表：zImage（arch/arm/boot/）、xxx.dtb（arch/arm/boot/dts）

• 根据上述提供的测试文件，执行如下命令来启动Linux内核：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel ./zImage -dtb ./vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0"（成功启动内核如下，由于没rootfs，下面情况正常）

• 查看qemu-system-arm进程号，并根据进程号kill它：pkill process_name

最简单的根文件系统（initramfs）

文件准备：init.c

#include 
#include 
int main(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        printf("%d: This is a simplest rootfs\n", i++);
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

制作initramfs

• 静态编译init.c:arm-none-linux-gnueabi-gcc init.c -o init -static
  利用init程序制作initramfs:find ./ -name "init" | cpio -o -H newc > initramfs或者等效于find ./ -name "init" | cpio --create --format=newc > initramfs

QEMU启动测试

qemu-system-arm -initrd initramfs \
-M vexpress-a9 -m 512M \
-kernel zImage \
-dtb vexpress-v2p-ca9.dtb \
-nographic \
-append "init=/init console=ttyAMA0"

启动效果：启动成功后会循环打印

制作busybox根文件系统

创建目录树

mkdir rootfs
ls -F / | grep "/" | xargs -d '\n' -i mkdir -p rootfs/{}
mkdir rootfs/lib/modules

创建基本设备文件

• 创建基本设备文件：（null,zero,console,tty1~4）

mknod -m 666 /dev/null c 1 3（设备号参考宿主机相应设备号）

获取、编译和安装busybox

• 下载源代码：http://www.busybox.net/downloads (wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.27.2.tar.bz2)
• 修改Makefile：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
• busybox配置： make menuconfig

Busybox Settings --->
General Configuration --->
    [*] Don't use /usr
Build Options --->
    [*] Build Busybox as a static binary（no shared libs）
    (arm-none-linux-gnueabi-）Cross Compiler Prefix
Installation Options --->
    (/home/workdir/QEMU-Embedded/rootfs）Busybox installation Prefix

编译、安装：make [V=1表示完整显示编译过程]; make install

自动化脚本:setup.sh

#!/bin/bash

KERNEL_VERSION=linux-4.6.6
BUSYBOX_VERSION=busybox-1.27.2

DIR_CUR=`pwd`
DIR_ROOTFS=${DIR_CUR}/rootfs
DIR_BUSYBOX=${DIR_CUR}/${BUSYBOX_VERSION}
DIR_KERNEL=${DIR_CUR}/${KERNEL_VERSION}

function build_dirtree()
{
    mkdir ${DIR_ROOTFS}
    ls -F / | grep "/" | xargs -d '\n' -i mkdir -p ${DIR_ROOTFS}/{}
    mkdir -p ${DIR_ROOTFS}/lib/modules 
    mkdir -p ${DIR_ROOTFS}/etc/init.d
    echo 'echo -------------------------------' > ${DIR_ROOTFS}/etc/init.d/rcS
    echo 'echo QEMU ARM Linux' >> ${DIR_ROOTFS}/etc/init.d/rcS
    echo 'echo -------------------------------' >> ${DIR_ROOTFS}/etc/init.d/rcS
    chmod 755 ${DIR_ROOTFS}/etc/init.d/rcS
    sudo mknod -m 666 ${DIR_ROOTFS}/dev/null c 1 3
    sudo mknod -m 666 ${DIR_ROOTFS}/dev/console c 5 1
    sudo mknod -m 666 ${DIR_ROOTFS}/dev/tty1 c 4 1
    sudo mknod -m 666 ${DIR_ROOTFS}/dev/tty2 c 4 2
    sudo mknod -m 666 ${DIR_ROOTFS}/dev/tty3 c 4 3
    sudo mknod -m 666 ${DIR_ROOTFS}/dev/tty4 c 4 4
}

function compile_busybox()
{
    # load busybox
    #source ${HOME}/.profile
    #tar -xjvf ${DIR_CUR}/${BUSYBOX_VERSION}.tar.bz2 
    echo "modify ARCH,CROSS_COMPILE,INSTALL_MOD_PATH,etc. of Makefile"
    echo "Press Enter to continue"
    read temp
    vim ${DIR_BUSYBOX}/Makefile
    make -C ${DIR_BUSYBOX} menuconfig #ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
    make -C ${DIR_BUSYBOX} -j4 #ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
    make -C ${DIR_BUSYBOX} install #INSTALL_MOD_PATH=./${DIR_ROOTFS}
}

function compile_kernel()
{
    #tar -xJvf ${DIR_CUR}/${KERNEL_VERSION}.tar.xz
    echo "modify ARCH,CROSS_COMPILE,INSTALL_MOD_PATH,etc. of Makefile"
    echo "Press Enter to continue"
    read temp
    vim ${DIR_KERNEL}/Makefile
    cp -rf ${DIR_KERNEL}/arch/arm/configs/vexpress_defconfig ${DIR_KERNEL}/.config
    make -C ${DIR_KERNEL} menuconfig
    make -C ${DIR_KERNEL} zImage -j4 V=1
    make -C ${DIR_KERNEL} modules -j4 V=1
    make -C ${DIR_KERNEL} dtbs -j4 V=1
}

function complete_dirtree()
{
    cp -rf ${DIR_BUSYBOX}/_install/* ${DIR_ROOTFS}
    cp -rf ${DIR_KERNEL}/arch/arm/boot/zImage ${DIR_CUR}
    cp -rf ${DIR_KERNEL}/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb ${DIR_CUR}

    cp -rf ${DIR_CUR}/a.out ${DIR_ROOTFS}
}

function build_image()
{
    # build image
    dd if=/dev/zero of=rootfs.ext3 bs=1M count=8
    sudo mkfs.ext3 rootfs.ext3
    sudo mkdir -p /mnt/sd 
    sudo mount -t ext3 -o loop rootfs.ext3 /mnt/sd
    sudo cp -rf ${DIR_ROOTFS}/* /mnt/sd
    sudo umount /mnt/sd 
}

function run_qemu_nographic()
{
    # run qemu
    qemu-system-arm \
        -M vexpress-a9 \
        -m 512M \
        -kernel zImage \
        -dtb ./vexpress-v2p-ca9.dtb \
        -nographic \
        -append "root=/dev/mmcblk0 rw init=/linuxrc console=ttyAMA0" \
        -sd rootfs.ext3
}

function run_qemu_graphic()
{
    # run qemu for GUI
    qemu-system-arm \
        -M vexpress-a9 \
        -m 512M \
        -kernel zImage \
        -dtb ./vexpress-v2p-ca9.dtb \
        -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=tty0" \
        -sd rootfs.ext3
}

function build_clean()
{
    rm -rf $@
}

function main()
{
    build_dirtree
    compile_busybox
    compile_kernel
    complete_dirtree
    build_image
    #run_qemu_nographic
    run_qemu_graphic
    #build_clean ${DIR_ROOTFS}
    #build_clean ${DIR_ROOTFS} ${DIR_BUSYBOX} ${DIR_KERNEL}
}

if [[ $# -ne 0 ]]; then
    exit 0
else
    main
    exit 0
fi

自动化脚本流程梳理

在这里插入图片描述

• ① 创建rootfs目录结构和基础设备文件
• ② 配置编译busybox
• ③ 配置编译Linux内核
• ④ 把上面生成的busybox和kernel最终文件拷贝到rootfs
• ⑤ 把rootfs制作成sd镜像文件
• ⑥ 使用该sd镜像文件启动qemu-system-arm
  备注：上面整个shell脚本就是依据上面的流程来编码的。

使用u-boot引导启动Linux内核

u-boot的制作

• 获取u-boot：wget http://ftp.denx.de/pub/u-boot/u-boot-2014.10.tar.bz2
• 修改Makefile：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
• 修改u-boot相关启动参数（源码级）
• 配置编译u-boot:

cp u-boot/configs/vexpress_ca9x4_defconfig u-boot/.config
make menuconfig

• 编译u-boot：make -j8

Linux内核uImage的制作

需要指定uImage的加载地址（编译时指定）：make LOADADDR=0x60003000 uImage -j4

QEMU启动测试

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M \
-kernel u-boot \
-nographic \
-net nic,vlan=0 -net tap,vlan=0,ifname=tap0 \
-sd rootfs.ext3

挂载NFS文件系统

编辑文件：vim u-boot/include/configs/vexpress_common.h
CONFIG_BOOTCOMMAND的值改为：

tftp 0x60003000 uImage ; tftp 0x60500000 vexpress-v2p-ca9.dtb ; \
setenv bootargs 'root=/dev/nfs rw \
nfsroot=192.168.244.123:/home/rootfs init=/linuxrc \
ip=192.168.244.126 console=ttyAMA0' ; \
bootm 0x60003000 - 0x60500000 ; "

• 配置内核支持NFS文件系统

cp linux-4.13.0/arch/arm/configs/vexpress_defconfig linux-4.13.0/.config
make menuconfig ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
    File System -->
        [*] Network File System -->
            <*> NFS client support
            <*> NFS client support for NFS version 3
            [*] NFS client support for the NFSv3 ACL
            [*] Root file system on NFS

• 重新编译内核：make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-

• qemu启动测试:

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M \
    -kernel u-boot \
    -nographic \
    -net nic,vlan=0 -net tap,vlan=0,ifname=tap0 \
    -sd rootfs.ext3

QEMU裸机串口编程（arm926）

• 获取板子支持信息

• 查看板子列表：qemu-system-arm -machine help

• 通过qemu源代码查询相关硬件信息:grep -Hn "cpu_model" qemu/hw/arm/versatilepb.c

• 通过qemu源代码开发板的串口0寄存器硬件信息:grep -Hn "UART" qemu/hw/versatilepb.c

• 查看交叉工具链支持的平台:grep -Hn "arm926" cross-tools/share/doc/arm-arm-none-linux-gnueabi/info/gcc.info

• 源文件列表：init.c、linker.lds、start.S、setup.sh

init.c

#define UART0_ARM926 ((*(volatile unsigned char *)0x101f1000))
#define UART0_A9 ((*(volatile unsigned char *)0x10009000))
void display(const char *string)
{
    while(*string != '\0') { 
        UART0_ARM926 = *string; string++; 
    } 
} 

int my_init(void)
{ 
    display("qemu-system-arm: Hello Open World\n"); 
    while(1);
    return 0;
}

linker.lds

ENTRY(_start) 
SECTIONS { 
    . = 0x0; 
    .text : { start.o(.text)}
    .data : {*(.data)} 
    .bss : {*(.bss)} 
    . = . + 0x500; 
    sp_top = .; 
}

start.S

.global _start
_start:
    ldr sp, =sp_top
    bl my_init
    b .

setup.sh

arm-none-linux-gnueabi-gcc -c -mcpu=arm926ej-s init.c -nostdlib
arm-none-linux-gnueabi-gcc hello.c -static
arm-none-linux-gnueabi-as start.s -o start.o
arm-none-linux-gnueabi-ld -T linker.lds init.o start.o -o start.elf
arm-none-linux-gnueabi-objcopy -O binary start.elf start.bin
qemu-arm a.out
#qemu-system-arm -M vexpress-a9 -nographic -kernel start.elf
qemu-system-arm -M versatilepb -nographic -kernel start.elf
rm -rf init.o start.o start.elf start.bin a.out

QEMU裸机串口编程（cortex-a9）

• 获取板子支持信息

• 查看板子列表：qemu-system-arm -machine help

• 通过qemu源代码查询相关硬件信息:grep -Hn "cpu_model" qemu/hw/arm/vexpress.c

• 通过qemu源代码开发板的串口0寄存器硬件信息:grep -Hn "UART" qemu/hw/vexpress.c

• 查看交叉工具链支持的平台:grep -Hn "a9" cross-tools/share/doc/arm-arm-none-linux-gnueabi/info/gcc.info

• 源文件列表:

init.c

#define UART0_ARM926 ((*(volatile unsigned char *)0x101f1000))
#define UART0_A9 ((*(volatile unsigned char *)0x10009000))
void display(const char *string)
{
    while(*string != '\0') { 
        UART0_A9 = *string; string++; 
    } 
} 

int my_init(void)
{ 
    display("qemu-system-arm: Hello Open World\n"); 
    while(1);
    return 0;
}

start.S

.global _start
_start:
    ldr sp, =sp_top
    bl my_init
    b .

linker.lds

ENTRY(_start) 
SECTIONS { 
    . = 0x60000000; 
    .text : { start.o(.text)}
    .data : {*(.data)} 
    .bss : {*(.bss)} 
    . = . + 0x500; 
    sp_top = .; 
}

setup.sh

arm-none-linux-gnueabi-gcc -c -mcpu=arm926ej-s init.c -nostdlib
arm-none-linux-gnueabi-gcc hello.c -static
arm-none-linux-gnueabi-as start.s -o start.o
arm-none-linux-gnueabi-ld -T linker.lds init.o start.o -o start.elf
arm-none-linux-gnueabi-objcopy -O binary start.elf start.bin
qemu-arm a.out
qemu-system-arm  -M vexpress-a9 -nographic  -kernel  start.elf
#qemu-system-arm  -M versatilepb -nographic  -kernel  start.elf
rm -rf init.o start.o start.elf start.bin a.out