06 在MSYS2中编译树莓派裸机程序，并在QEMU中运行

作者	将狼才鲸
创建日期	2022-11-14

Gitee源码和工程地址：才鲸嵌入式 / 开源安防摄像机（嵌入式软件）
CSDN文章地址：项目介绍：开源安防摄像机（嵌入式软件）

4）完整的环境安装步骤

写在前面，我会提供已经安装好各种工具的MSYS2环境，如果你没用过Linux，建议你直接下载本系统压缩包cj_msys64.zip，解压后使用，或者自行使用VMware Player虚拟机+Ubuntu安装开发环境，因为MSYS2中安装软件的教程很难快速找到，需要有一些使用Linux的经验才知道怎么安装特定软件；我的MSYS2环境添加了32位和64位的交叉编译工具，他们的来源不一样，后面会详述。
下面是从头到尾的工具软件安装步骤：
- 推荐使用MSYS2 + 已经用MinGW32或MinGW64编译好的程序，基本上开发过程中你能在Linux下实现的，也都能在这个环境下实现，只是有些教程没有Ubuntu下那么好找；在MSYS2中不能使用Linux的程序，必须用MinGW将源码重新编译过后才能使用，这一般是软件供应商已经做好的。
- MSYS2的更多信息详见本仓库子文档：《04_MSYS2简述.md》

表2 MSYS2、MinGW和Cygwin的关系

软件名	版本	作用	特点
MSYS	MSYS，MSYS2	Linux命令行终端：Shell，Bash	没有在Windows下编译Linux程序的工具集，会自带已经被MinGW编译好的一些包；脱胎于Cygwin，但容量更小；MSYS2是因为MSYS常年不更新而新组的的一个项目；MSYS2安装完后的文件名为msys64，你可以将你安装好之后的msys64文件夹打包发给别人，这样别人无安装就可以用了，只是容量有点大，几十G
MinGW	MinGW32，MinGW64	一组编译工具链	编译后生成的是纯粹的Windows程序；它自带的命令行终端很难用也不全，要和MSYS2终端配合使用；MinGW64是因为MinGW32常年不更新而新组的的一个项目
Cygwin	Cygwin	编译工具+命令行	有模拟层，将Linux API转成Windows API再执行程序，效率低，容量大，速度慢，2010年左右在Windows下搭建交叉编译环境时还多用它；要运行纯粹的Linux程序时也用它

参考网址：
- CygWin、MingW、MSYS之间的关系
- Cygwin、Msys、MinGW、Msys2的区别与联系(转)
- Cygwin、MinGw、mingw-w64,MSys msys2区别与联系
- MSYS2+MinGW32 编译 QEMU需做的准备工作
- 在Windows上编译QEMU

4.1 安装MSYS2

我当前下载的版本是msys2-x86_64-20221028.exe

网上的安装教程是使用msys2打造优雅的开发环境
在官网主页找到下载链接：github.com/msys2/msys2-installer/releases/download/2022-10-28/msys2-x86_64-20221028.exe ，85M左右，这只是一个安装器，不是全部的软件；这是GitHub的地址，有时候下载慢，有时候无法访问；这个可下载的软件是CICD自动生成的，国内的Gitee镜像中也没有这个下载包；但你也可以在网上其它的地方比如网盘之类的找到这个文件的下载。

我将软件安装在D盘根目录，软件会安装在d:\msys64中，安装目录不能有空格、中文。
安装完之后先不打开软件，先将国外镜像地址换成国内镜像地址，参考上方教程。
电脑配置环境变量，在PATH中增加一行D:\msys64\usr\bin

win10环境变量怎么设置 win10设置环境变量的方法

双击运行主目录下的msys2.exe或者mingw64.exe都可以，其它的exe有些是32位的，有些是非gcc编译器对应的软件。

4.2 MSYS2中安装QEMU

因为我已经有了MSYS2环境，可以在里面直接安装QEMU；你下载Windows版本的QEMU单独安装，也是走的MSYS2+MinGW这一套，只是和Git一样，它们都是在自己的软件安装包自带了精简版的MinGW环境。
我们不需要用MinGW64或者MinGW32编译QEMU，我们只安装已经编译好的QEMU软件；网上没搜到MSYS2中安装QEMU的教程，但是我们知道MSYS2中的所有软件都在packages.msys2.org/repos 、 MSYS2 Base Packages 和 MSYS2 Packages中有描述。
在https://packages.msys2.org/base 中能找到mingw-w64-qemu；在https://packages.msys2.org/package/ 中能找到mingw-w64-x86_64-qemu；在https://packages.msys2.org/package/mingw-w64-x86_64-qemu?repo=mingw64 中能找到/mingw64/bin/qemu-system-aarch64.exe、/mingw64/bin/qemu-system-arm.exe，也能找到安装方法：pacman -S mingw-w64-x86_64-qemu；我当前使用的是Build Date: 2022-10-10 20:19:53，Installed Size: 768.72 MB，实际安装完后有2G。
查看是否安装成功：进入cd /mingw64/bin/ 然后./qemu-system-arm.exe --version查看版本号；后续还需要设置环境变量，这里暂略。
能看到输出信息：

jim@DESKTOP-SVP3BEM MSYS /mingw64/bin
$ ./qemu-system-arm.exe --version
QEMU emulator version 7.1.0
Copyright (c) 2003-2022 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

4.3 MSYS2中安装32位和64位ARM交叉编译工具

一些工具介绍：
- 树莓派提供了在Linux下使用的交叉工具包的文件夹名为gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64，使用的编译器名为arm-linux-gnueabihf-gcc，下载地址raspberrypi-tools/ arm-bcm2708。
- GNU官方提供了树莓派在Windows中使用的交叉工具包，默认的工具是使用Visual Studio + VisualGDB来进行编译的。
  32位地址：Prebuilt Windows Toolchain for Raspberry Pi
  64位地址：Prebuilt Windows Toolchain for Raspberry Pi (64-bit)
- ARM在Windows下自带的交叉编译工具为gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10-win32.exe，网页路径在https://developer.arm.com/downloads/-/gnu-rm ，交叉编译工具名为arm-none-eabi-gcc，我们不使用树莓派自带的交叉编译工具，而直接使用ARM的；因为树莓派没有直接给出MinGW下的交叉编译工具，而我也不想在Cygwin环境使用树莓派的Linux交叉编译工具。
但也不在ARM官方下载，我们在MSYS2中同样也能找到：在https://packages.msys2.org/base 中能搜到mingw-w64-arm-none-eabi-gcc和mingw-w64-arm-none-eabi-gdb
- MSYS2下载命令 pacman -S mingw-w64-x86_64-arm-none-eabi-gcc，大小有1.24 GB，参考网址：Package: mingw-w64-x86_64-arm-none-eabi-gcc
- GDB调试工具下载的命令 pacman -S mingw-w64-x86_64-arm-none-eabi-gdb，大小有7.92 MB，参考网址：Package: mingw-w64-x86_64-arm-none-eabi-gdb
- 安装完成后的文件在msys64/mingw64/bin/arm-none-eabi-gcc.exe
- 如果你需要使用aarch64-elf-gcc编译64位的ARM程序，在新版的树莓派中运行，则MSYS2网站中没有，你要去Linaro软件中下载。
如果有需要，你也可以安装用于64位ARM的交叉编译工具。
- 软件名称：gcc-linaro-7.5.0-2019.12-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu.tar.xz ，大小364M
- 下载路径：https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/latest-7/aarch64-linux-gnu/
- 下载完之后放到msys64/mingw32/bin/里面去，用Linux命令解压，然后设置环境变量，使用方法和32位gcc交叉编译工具一样
- 我msys64中的路径是msys64/mingw32/bin/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-gcc.exe
- 在Linaro这里也能下到32位的GCC交叉编译工具：gcc-linaro-7.5.0-2019.12-i686-mingw32_arm-linux-gnueabihf.tar.xz
- https://www.linaro.org/ Linaro公司主要是做ARM的一些开源工具，树莓派也是直接使用的Linaro编译器。
MSYS2安装make
- pacman -S make
- Package: make
参考网址：
- Windows下编译树莓派pico C\C++（Building on MS Windows）
- 树莓派交叉编译环境搭建（Win 7）
- 【交叉编译踩坑指北（二）】windows10下VScode构建树莓派pico开发环境（C/C++）
- 树莓派2 raspyberry Pi2 交叉编译app
- Windows10下交叉编译aarch64(ARMv8)架构Qt5.12.11库

4.4 用现成的程序从QEMU运行树莓派

从以下网址https://gitee.com/mirrors_bztsrc/raspi3-tutorial/tree/master/0A_pcscreenfont 下载编译好的树莓派程序，我已下载好，存放在msys64家目录下的1_raspi/01_run文件夹中
使用命令运行：/mingw64/bin/qemu-system-aarch64 -M raspi3b -kernel ~/1_raspi/01_run/kernel8.img -d in_asm
能看到出现了QEMU窗口，并显示了hello world。
效果如下：

4.5 交叉编译工具编译程序，并在树莓派QEMU模拟中运行

在mirrors_bztsrc/raspi3-tutorial下载一个国外的英文仓库，是演示64位ARM树莓派裸机编程的，我借鉴这里面的工程。

这个工程已下载到当前仓库根目录下，我也会将这个目录拷贝到msys64的家目录下，我会将里面的Makefile和自动运行改成和msys64适配，保证一个make命令就能编译程序，一个make run就能在QEMU中运行刚刚编译的程序。
输出qemu所在位置和aarch64编译器所在位置的环境变量，这样就不用每次都写完整的路径了。
打开家目录也就是msys64/home/jim/下的.bashrc，在里面末尾加上
export PATH= $P A T H : / m i n g w 64 / b i n e x p o r t P A T H =$ PATH:/mingw32/bin/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-i686-mingw32_aarch64-linux-gnu/bin
生效配置 source .bashrc
查看环境变量 echo $PATH，确认已经生效

进入msys64 raspi3-tutorial源码目录，编译并运行

源码我已经拷贝到msys64中，并且已经改了Makefile，能直接编译和运行，同时修改过以后的源码我也会在本仓重上传
源码路径 ~/raspi3-tutorial/01_bareminimum，也就是/home/jim/raspi3-tutorial/01_bareminimum，也就是D:\msys64\home\jim\raspi3-tutorial\01_bareminimum，后面所有的示例路径我都采用第一种写法。
进入目录 cd ~/raspi3-tutorial/01_bareminimum
编译 make
运行 make run
make run能运行，是因为在Makefile里面写了命令 qemu-system-aarch64 -M raspi3b -kernel kernel8.img -d in_asm
01_bareminimum用例是一个空程序，所以QEMU里面什么都不会显示，其它用例的效果我会再后面展示。
参考网址：
树莓派有关裸机编程的教程很少，我只找到了几个英文教程和几篇中文博客：
- 裸机编程：mirrors_bztsrc / raspi3-tutorial
- 编写操作系统：lxjj / rpi4-osdev
- 一点中文翻译，在树莓派4B上编写裸机操作系统(PART0)
- 另一个树莓派操作系统开发：Baking Pi – Operating Systems Development
- RPi bring up hello world! 树莓派底层编程裸机点亮led
- 996refuse/emperorOS Public
- 4 anbox 树莓派树莓派4裸机基础教程:从hello world开始
- Raspberry PI 系列 —— 裸机点亮LED灯
参考网址：
树莓派的交叉编译（BCM2835/6/7/BCM23711）