（2023）从零开始用qemu搭建虚拟arm环境

news2024/7/6 18:08:03

用qemu搭建虚拟arm环境

  • 引言
    • 安装版本
  • 1. VMware + ubuntu20.04 + qemu安装
  • 2.安装交叉编译工具
  • 3.编译内核kernel
  • 4.u-boot编译
  • 5.制作根文件系统
    • 第一步：下载、编译和安装busybox
    • 第二步：形成根目录结构
    • 第三步：制作根文件系统镜像
  • 测试HelloWorld应用程序
  • 如何关闭qemu虚拟机
  • 补充：
    • **关于”make: arm-linux-gnueabihf-gcc: Command not found“问题**
    • 关于qemu启动ARM虚拟机运行指令解析
  • 参考文献：

引言

Qemu是什么？
Qemu是一个开源的托管虚拟机，通过纯软件来实现虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备。比如：Qemu可以模拟出一个ARM系统中的：CPU、内存、IO设备等，然后在这个模拟层之上，可以跑一台ARM虚拟机，这个ARM虚拟机认为自己在和硬件进行打交道，但实际上这些硬件都是Qemu模拟出来的。
在这里插入图片描述
正因为Qemu是纯软件实现的，所有的指令都要经过它的转换，所以性能非常低。所以在生产环境中，大多数的做法都是配合KVM来完成虚拟化工作，因为KVM是硬件辅助的虚拟化技术，主要负责比较繁琐的CPU和内存虚拟化，而Qemu则负责I/O虚拟化，两者合作各自发挥自身的优势，相得益彰。这部分不是重点，就不具体深入介绍了。

Qemu的两种模式
1.用户模式(User mode)：利用动态代码翻译机制来执行不同主机架构的代码，例如：在x86平台上模拟执行ARM代码，也就是说：我们写一条ARM指令，传入整个模拟器中，模拟器会把整个指令翻译成x86平台的指令，然后在x86的CPU中执行。

2.系统模式(System mode)：模拟整个电脑系统，利用其它VMM(Xen, KVM)来使用硬件提供的虚拟化支持，创建接近于主机性能的全功能虚拟机。
在这里插入图片描述
使用Qemu虚拟机的几种选择
利用Qemu来运行ARM虚拟机，你有2个选择：

简单方式：直接下载别人编译好的映像文件(包含了内核，根文件系统)，直接执行即可。
缺点是：别人编译好的也许不适合你的需求，没法定制。

复杂方式：自己下载内核代码、根文件系统代码(例如：busybox)，然后进行编译。
优点是：可以按照自己的实际需求，对内核、根文件系统机型裁剪。

在第2种复杂模式中，又可以有2个选择：
2-1. 内核代码、根文件系统代码全部自己手动编译，最后把这些编译结果手动组织在一个文件夹中，形成自己的根目录；
2-2. 利用 buildroot 整个框架，只需要手动进行配置(比如：交叉编译器在本机上的位置、输出路径、系统的裁剪)，然后就可以一键编译出一个完整的系统，可以直接烧写到机器!

安装版本

VMware Workstation Pro：16.1.1
ubuntu：20.04 64位
qemu：8.1.50

搭建虚拟arm开发板：
busybox：1.36.0
kernel：5.10
u-boot：2020.10

1. VMware + ubuntu20.04 + qemu安装

参考这篇文章：【VMware + ubuntu20.04 + qemu安装】

下面将正式开始搭建虚拟的arm开发板环境

2.安装交叉编译工具

交叉编译器的作用就不需要详细解释了，因为我们是在x86平台上进行编译，而运行的平台是ARM系统，这2个平台的指令集不一样，所以需要交叉编译得到ARM系统上可以执行的程序。

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

验证安装结果

dpkg -l gcc-arm-linux-gnueabi

显示如下：
在这里插入图片描述

3.编译内核kernel

下载内核kernel压缩包

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

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。
解压：

tar -xvf linux-5.10.tar.xz

在解压后的linux-5.10目录下，生成vexpress开发板子的config文件：

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

编译32位kernel：

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

生成的内核镱像位于arch/arm/boot/zImage
设备树 arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb

补充：编译64位kernel


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/arm/boot/Image

4.u-boot编译

拉取：

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。

ls configs/ | grep vexpress

在这里插入图片描述
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 。
在这里插入图片描述

5.制作根文件系统

内核在启动之后、执行到最后步骤时，需要挂载根文件系统，然后执行文件系统中指定的执行程序（初始化程序，本文未设置），例如：/etc/rc.local。

如果没有跟文件系统，那么内核在执行到最后就提示：panic…。

根文件系统放在哪里？
其实依赖于每个开发板支持的存储设备，可以放到Nor Flash上，也可以放到SD卡，甚至外部磁盘上。最关键的一点是你要清楚知道开发板有什么存储设备。

本文介绍了使用SD卡做为存储空间，文件格式为ext3格式。

第一步：下载、编译和安装busybox

下载busybox1.36.0：

 wget http://www.busybox.net/downloads/busybox-1.36.0.tar.bz2

编译，安装：

make defconfig

make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

make install CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

安装完成后，会在busybox目录下生成_install目录，该目录下的程序就是单板运行所需要的命令。

第二步：形成根目录结构

先在Ubuntu主机环境下，形成目录结构，里面存放的文件和目录与单板上运行所需要的目录结构完全一样，然后再打包成镜像（在开发板看来就是SD卡），这个临时的目录结构称为根目录。

  1. 首先创建rootfs目录（根目录），根文件系统内的文件全部放到这里：
mkdir -p rootfs/{dev,etc/init.d,lib}
  1. 把busybox中的文件复制到rootfs根目录下，主要是一些基本的命令：
sudo cp busybox-1.20.2/_install/* -r rootfs/
  1. 把交叉编译工具链中的库文件复制到rootfs根目录的lib文件夹下：
sudo cp -P /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* rootfs/lib/
  1. 创建4个tty端终设备：
sudo mknod rootfs/dev/tty1 c 4 1

sudo mknod rootfs/dev/tty2 c 4 2

sudo mknod rootfs/dev/tty3 c 4 3

sudo mknod rootfs/dev/tty4 c 4 4

第三步：制作根文件系统镜像

制作根文件系统镜像 根文件系统镜像就相当于一个硬盘，就是把上面rootfs根目录中的所有文件复制到这个硬盘中。

第一种：
生成512M大小的镜像：

dd if=/dev/zero of=a9rootfs.ext3 bs=1M count=32

格式化成ext3文件系统：

mkfs.ext3 a9rootfs.ext3

挂载，将文件拷贝到镜像中：

sudo mkdir tmpfs

sudo mount -t ext3 a9rootfs.ext3 tmpfs/ -o loop

sudo cp -r rootfs/*  tmpfs/

sudo umount tmpfs

qemu启动ARM虚拟机运行：

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/zImage -dtb  /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0  console=ttyAMA0" -sd a9rootfs.ext3

“从内核启动打印，到命令行提示符出现”
在这里插入图片描述

第二种：
生成512M大小的磁盘镜像：

qemu-img create -f raw disk.img 512M

把磁盘镜像格式化成ext4文件系统：

mkfs -t ext4 ./disk.img

将rootfs根目录中的所有文件复制到磁盘镜像中 操作步骤是：创建挂载点-挂载-复制文件-卸载:

mkdir tmpfs 
sudo mount -o loop ./disk.img tmpfs/  
sudo cp -r rootfs/* tmpfs/
sudo umount tmpfs

使用file指令检查一下:

file disk.img

在这里插入图片描述
qemu启动ARM虚拟机运行：

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/zImage -dtb  /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd disk.img

“从内核启动打印，到命令行提示符出现”

测试HelloWorld应用程序

在Ubuntu任意一个目录，编写HelloWorld可执行程序hello.c：

touch hello.c
vi hello.c

按i进入输入模式，复制下面代码，然后esc，shift+：，wq保存退出：

#include <stdio.h> 
int main() 
{     
    printf("HelloWorld! \n");
    return 0; 
}

交叉编译hello.c，得到arm的可执行程序hello：

arm-linux-gnueabi-gcc hello.c -o hello

通过file指令，查看一下hello程序：

file hello

在这里插入图片描述
把hello可执行程序复制到磁盘镜像disk.img中 操作步骤是：挂载-复制文件-卸载：

sudo mount -o loop ./disk.img tmpfs/  
cp hello tmpfs/ 
sudo umount tmpfs

执行hello程序 再次启动虚拟机，此时可以在根目录下面看到hello文件，直接执行即可看到输出结果。
在这里插入图片描述

总结：
在以上的操作步骤中，我们把一个ARM系统在启动应用程序之前，所需要的程序都手动编译、操作了一遍。看一遍很容易就明白，亲手操作一遍印象会更深刻。

这里的操作过程有些还需要继续深入，比如：在系统启动之后，自动挂载宿主机(Ubuntu系统)中的某个文件夹，这样就可以把hello等可执行程序复制到挂载目录中，然后在ARM系统中直接执行了，而不用再执行下面在一连串的操作(停止虚拟机-挂载磁盘镜像-复制文件-卸载-启动虚拟机)。

如何关闭qemu虚拟机

停止虚拟机 在Ubuntu另一个终端窗口中，通过killall指令来停止。

killall qemu-system-arm

或者直接 Ctrl+a 再按x，直接退出qemu环境。

补充：

关于”make: arm-linux-gnueabihf-gcc: Command not found“问题

解决方法：sudo apt-get install gcc-arm*
参考：https://blog.csdn.net/HGGshiwo/article/details/120479087

关于qemu启动ARM虚拟机运行指令解析

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/zImage -dtb  /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0  console=ttyAMA0" -sd a9rootfs.ext3

-M vexpress-a9 模拟vexpress-a9单板，你可以使用-M ?参数来获取该qemu版本支持的所有单板

-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。

因为不同单板串口驱动类型不尽相同，创建的tty设备名当然也是不相同的。那vexpress单板的tty设备名是哪个呢？ 其实这个值可以从生成的.config文件CONFIG_CONSOLE宏找到。
如果搭建其它单板，需要注意内核启动参数的console=参数值，同样地，可从生成的.config文件中找到。

参考文献：

一步步教你：如何用Qemu来模拟ARM系统

从零使用qemu模拟器搭建arm运行环境

【十】搭建基于qemu的仿真环境与应用

如果想了解更多细节，包括：创建设备结点，设置初始化进程/etc/rcS，u-boot加载内核等，可参考：
【宅学部落的qemu教程】

或者其他优秀教程
Linux利器：QEMU！用它模拟开发板能替代真开发板？
qemu-system-arm功能选项整理

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