Qemu搭建ARM vexpress开发环境(一)

嵌入式开发离不开硬件设备比如：开发板、外设等，但是如果只是想学习研究Linux内核，想学习Linux内核的架构，工作模式，需要修改一些代码，重新编译并烧写到开发板中进行验证，这样未必有些复杂。然而Qemu的使用可以避免频繁在开发板上烧写版本，如果进行与外设无关，仅仅是内核方面的调试，Qemu模拟ARM开发环境完全可以完美地胜任。

下面简单介绍下我的Qemu开发环境搭建过程：

1. 环境

由于在开发过程中也需要Windows系统下的一些工具，于是放弃了以前搭建的双系统环境而采用在PC的Windows10系统下通过VirtualBox虚拟机安装Xubuntu系统进行开发，避免了双系统开发中需要不断重启切换PC系统的问题。Xubuntu系统和Ubuntu系统大同小异，只是桌面封装更加简洁。

1.1 所使用环境

PC系统：Windows10

虚拟机：VirtualBox-5.18

虚拟机系统：Xubuntu

模拟的开发板：vexpress

1.2 搭建环境时使用的工具

Qemu-2.7

linux-4.4.157(Linux Kernel)

u-boot-2017.05

busybox-1.29.3

arm-linux-gnueabi-

2. 安装交叉编译工具

# sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabi

3. 安装Qemu工具

有两种方法可以在Linux环境下安装Qemu工具，第一种直接使用XUbuntu系统的apt工具安装，但是这种方法安装的Qemu系统版本不是最新的，如果需要安装最新版本的Qemu工具，就需要通过Git工具下载源码，切换到最新分支再去编译安装了。

3.1 快速安装Qemu：

# sudo apt install qemu

3.2 下载Qemu源码编译安装

从Git服务器下载Qemu代码：

# git clone git://git.qemu-project.org/qemu.git

编译并安装Qemu：

# ./configure --target-list=arm-softmmu --audio-drv-list=

# make

# make install

3.3 查看Qemu版本

# qemu-system-arm --version

QEMU emulator version 2.7.1 (v2.7.1-dirty), Copyright (c) 2003-2016 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

3.4 查看Qemu支持的开发板

通过下面的命令操作可以看到当前版本的Qemu工具支持的开发板列表：

# qemu-system-arm -M help

3.5 运行Qemu

该操作目前还不能运行，因为还没有编译内核，如果手边有编译好的别的版本的zImage文件，可以通过下面命令尝试运行看下效果。

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

    -M          指定开发板

    -m          指定内存大小

    -kernel     指定内核文件

    -dtb        指定dtb文件

    -nographic  指定不需要图形界面

    -append     指定扩展显示界面，串口或者LCD

4. 配置并编译Linux内核

4.1 下载Linux内核

通过众所周知的内核下载网站www.kernel.org下载需要的内核版本，这里我取得是相对来说最新的长期支持的内核版本linux-4.4.157。

4.2 解压Linux内核

# tar -xvf linux-4.4.157.tar.xz

4.3 编译Linux内核

# make vexpress_defconfig

# make zImage -j4

# make modules -j4    // 编译驱动模块

# make dtbs

得到编译文件：

arch/arm/boot/zImage

arch/arm/boot/dts/*.dtb

4.4 Qemu启动命令

# qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/zImage -dtb kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0"

为了使用方便，可以将该命令放到shell脚本中执行：

# cat boot.sh

#! /bin/sh

qemu-system-arm

        -M vexpress-a9 

        -m 512M

        -kernel kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/zImage      

        -dtb kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb       

        -nographic 

        -append "console=ttyAMA0"

启动日志

内核成功启动，前半部分日志省略，启动最后出错是因为没有挂载根文件系统。

input: ImExPS/2 Generic Explorer Mouse as /devices/platform/smb/smb:motherboard/smb:motherboard:iofpga@7,00000000/10007000.kmi/serio1/input/input2

VFS: Cannot open root device "(null)" or unknown-block(0,0): error -6

Please append a correct "root=" boot option; here are the available partitions:

1f00          131072 mtdblock0  (driver?)

1f01           32768 mtdblock1  (driver?)

b300           32768 mmcblk0  driver: mmcblk

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

CPU: 0 PID: 1 Comm: swapper/0 Not tainted 4.4.157 #1

Hardware name: ARM-Versatile Express

[<80016420>] (unwind_backtrace) from [<80012e80>] (show_stack+0x10/0x14)

[<80012e80>] (show_stack) from [<802478f8>] (dump_stack+0x84/0x98)

[<802478f8>] (dump_stack) from [<800a7d7c>] (panic+0x9c/0x1f4)

[<800a7d7c>] (panic) from [<806302d4>] (mount_block_root+0x1c8/0x268)

[<806302d4>] (mount_block_root) from [<80630498>] (mount_root+0x124/0x12c)

[<80630498>] (mount_root) from [<806305f0>] (prepare_namespace+0x150/0x198)

[<806305f0>] (prepare_namespace) from [<8062fedc>] (kernel_init_freeable+0x250/0x260)

[<8062fedc>] (kernel_init_freeable) from [<804a99f0>] (kernel_init+0x8/0xe8)

[<804a99f0>] (kernel_init) from [<8000f490>] (ret_from_fork+0x14/0x24)

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

5. 制作根文件系统

使用busybox制作根文件系统

5.1 下载busybox工具

从https://busybox.net/downloads/下载最新的busybox。

5.2 解压busybox

# tar -xvf busybox-1.29.3.tar.bz2

5.3 配置并编译busybox

修改Makefile:

ARCH = arm

CROSS_COMPILE = arm-linux-gnueabi-

编译选择使用glibc动态库，因为静态库可能会出现一些未知的问题

# make menuconfig

Settings  --->

    Build Options  --->

        [ ] Build static binary (no shared libs)

编译并安装：

# make

# make install

5.4 制作简易根文件系统

制作一个简易的根文件系统，该文件系统包含的功能极其简陋，仅为了验证Qemu启动Linux内核后挂载跟文件系统的过程。以后会进一步完善该文件系统。

1) 安装busybox

将busybox编译生成的_install目录下的文件全部拷贝到rootfs/目录：

# mkdir rootfs

# cp /.../busybox-1.29.3/_install/* rootfs/ -rfd

也可以在指定busybox的安装目录直接安装：

# make CONFIG_PREFIX=/.../rootfs/ install

2) 安装glibc库

在根文件系统中添加加载器和动态库：

# mkdir rootfs/lib

# cp /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* rootfs/lib/ -rfp

3) 静态创建设备文件

# mkdir rootfs/dev

# cd rootfs/dev

# mknod -m 666 tty1 c 4 1

# mknod -m 666 tty2 c 4 2

# mknod -m 666 tty3 c 4 3

# mknod -m 666 tty4 c 4 4

# mknod -m 666 console c 5 1

# mknod -m 666 null c 1 3

至此，简易版根文件系统就制作完成，该根文件系统只含有最基本的功能，一些其他功能在以后的操作中会进行添加，如有兴趣可以继续参考下一篇文章《》《》

5.5 制作SD卡文件系统镜像

1) 生成一个空的SD卡镜像：

# dd if=/dev/zero of=rootfs.ext3 bs=1M count=32

32+0 records in

32+0 records out

33554432 bytes (34 MB, 32 MiB) copied, 0.0236764 s, 1.4 GB/s

2) 将SD卡格式化为exts文件系统：

# mkfs.ext3 rootfs.ext3

mke2fs 1.42.13 (17-May-2015)

Discarding device blocks: done                            

Creating filesystem with 32768 1k blocks and 8192 inodes

Filesystem UUID: 51ab1063-a137-48e5-a6f4-4552dad3b898

Superblock backups stored on blocks:

    8193, 24577

Allocating group tables: done                            

Writing inode tables: done                            

Creating journal (4096 blocks): done

Writing superblocks and filesystem accounting information: done

3) 将rootfs烧写到SD卡：

# sudo mount -t ext3 rootfs.ext3 /mnt -o loop

# sudo cp -rf rootfs/* /mnt/

# sudo umount /mnt

5.6 验证

1) Qemu启动命令：

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/zImage -dtb kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd rootfs.ext3

2) 启动脚本：

# boot.sh

#! /bin/sh

qemu-system-arm

        -M vexpress-a9 

        -m 512M

        -kernel kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/zImage      

        -dtb kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb       

        -nographic 

        -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0"   

        -sd rootfs.ext3

以上为在串口终端启动系统，按照以下的启动命令可以使用LCD屏作为输出启动系统。

3) 图形化启动内核：

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/zImage -dtb kernel/linux-4.4.157/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=tty0" -sd rootfs.ext3

4) 启动日志：

rtc-pl031 10017000.rtc: setting system clock to 2018-09-24 13:22:14 UTC (1537795334)

ALSA device list:

  #0: ARM AC'97 Interface PL041 rev0 at 0x10004000, irq 33

input: ImExPS/2 Generic Explorer Mouse as /devices/platform/smb/smb:motherboard/smb:motherboard:iofpga@7,00000000/10007000.kmi/serio1/input/input2

EXT4-fs (mmcblk0): mounting ext3 file system using the ext4 subsystem

EXT4-fs (mmcblk0): recovery complete

EXT4-fs (mmcblk0): mounted filesystem with ordered data mode. Opts: (null)

VFS: Mounted root (ext3 filesystem) on device 179:0.

Freeing unused kernel memory: 284K

random: nonblocking pool is initialized

can't run '/etc/init.d/rcS': No such file or directory

Please press Enter to activate this console.

/ #

/ #

/ # uname -a

Linux (none) 4.4.157 #1 SMP Sun Sep 23 21:11:22 CST 2018 armv7l GNU/Linux

至此，Qemu启动Linux内核并挂载跟文件系统已经启动成功，通过串口终端可以正常和系统进行简单功能的交互。

打印中提示的不能运行/etc/init.d/rcS问题，只需要添加/etc/init.d/rcS文件即可，文件内容可以是提示语句。

# cat /etc/init.d/rcS

Hello Qemu Linux!

5.7 关闭Qemu环境

Qemu环境搭建好之后，发现无法通过shutdown等工具关闭，因为Qemu也是一个进程，可以通过杀掉Qemu进程的方法关闭Qemu模拟环境。

# ps -a

# kill xxx

本文讲述了Qemu环境启动Linux内核，并挂载SD卡中的根文件系统的一些操作步骤。如果需要在Qemu环境下以ARM开发板的正常启动流程来加载Linux内核并挂载根文件系统，可以参考下一篇文章《Qemu搭建ARM vexpress开发环境(二)----通过u-boot启动Linux内核》。