QEMU模拟CortexA9运行Uboot和LinuxV020.docx
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QEMU模拟CortexA9运行Uboot和LinuxV020
QEMU模拟Cortex-A9运行U-boot与Linux
1、实验目的
1）熟练使用Linux操作系统;
2）认识一种新的内核模拟器QEMU;
3）掌握嵌入式Linux系统的开发流程;
2、实验要求
1）在PC机上安装VMware虚拟机,并在VMware中安装Linux操作系统（Ubuntu12、04）;
2）在Ubuntu中安装QEMU;
3）编译U-boot,并在QEMU上运行;
4）编译Linux内核,并使用Busybox制作根文件系统;
5）在QEMU上运行Linux操作系统;
6）在该Linux系统上运行应用程序。
3、实验原理
1）VMwareWorkstation虚拟机就是可以在Windows/Linux系统上运行的应用程序,它可以模拟基于x86的标准PC环境。
这个环境与真实的计算机一样,都有芯片组、CPU、内存、显卡、声卡、网卡、软驱、硬盘、光驱、串口、并口、USB控制器、SCSI控制器等设备。
与“多启动”系统相比,VMWare采用了完全不同的概念,多启动系统在一个时刻只能运行一个系统,在系统切换时需要重新启动机器。
而VMWare虚拟机软件就是一个“虚拟PC”软件,它可以使您在一台机器上同时运行多个Windows、DOS、LINUX系统,并且在系统切换时不需要重启计算机。
在使用上,这台虚拟机与真正的物理主机几乎没有区别,都需要分区、格式化、安装操作系统、安装应用程序与软件,总之,一切操作都跟一台真正的计算机一样。
2）QEMU模拟器:
QEMU就是一个面向完整PC系统的开源仿真器。
除了可以仿真处理器之外,QEMU还可以仿真所有必要的子系统,如连网硬件与视频硬件。
它还允许实现高级概念上的仿真（如对称多处理系统（多达255个CPU））与对其她处理器架构（如ARM与PowerPC）的仿真。
QEMU有两种运行模式:
*Usermode模拟模式,亦称作使用者模式。
QEMU能启动那些为不同中央处理器编译的Linux程序。
*Systemmode模拟模式,亦称作系统模式。
QEMU能模拟整个电脑系统,包括中央处理器及其她周边设备。
它使得对跨平台编写的程序进行测试及调试变得容易。
其亦能用来在一部主机上虚拟多部不同的系统。
3）嵌入式Linux系统的结构
嵌入式Linux系统从软件的角度瞧通常可以分为4个层次:
①引导加载程序Bootloader。
②内核。
完成对硬件设备的控制,Linux内核的主要模块分为以下几个部分:
存储管理、CPU与进程管理、文件系统、设备管理与驱动、网络通信、以及系统的初始化（引导）、系统调用等。
③文件系统。
它提供了用于管理系统的各种配置文件,以及为系统执行用户应用程序提供了良好的运行环境。
④用户应用程序。
根据不同的用户需求而编写的程序。
4）QEMU与宿主机之间的通信机制:
QEMU提供了四种网络通信模式:
TAP、user、Sockets与VDE。
利用user模式可以实现虚拟机与宿主机之间的通信且较为简单易行,在这种通信模式中,虚拟机处于10、0、2、*网段,该网段通过一个NAT服务器与外界通信,NAT服务器的地址就是10、0、2、2,虚拟机的IP地址从10、0、2、15开始分配。
4、实验步骤
4、1VMware虚拟机中安装Ubuntu
（1）自行下载ubuntu12、04的、iso系统镜像,并在VMware中安装。
（2）Ubuntu安装完成后,设置root密码,以便后期编译时获取root权限。
（3）终端sudoapt-getupdate完成更新。
（4）安装GNU的交叉编译工具链。
sudoapt-getinstallgcc-arm-linux-gnueabi
sudoapt-getinstallg++-arm-linux-gnueabi
安装完成后会在/usr/arm-linux-gnueabi/目录下生成库文件、头文件等。
4、2安装QEMU模拟器
sudoapt-getinstallqemuqemu-systemqemu-utils
然后在终端中运行qemu-system-arm--version会显示如下QEMU的版本信息:
4、3编译并运行U-boot
（1）在windows下到 下载最新版本的U-Boot源代码,（参考版本u-boot-2012、04、tar、bz2）,下载完后将其放入ubuntu中在该目录下解压:
tarjxvfu-boot-2012、04、tar、bz2,在当前目录下会产生一个u-boot-12、04的文件夹:
进入到u-boot-2012、04目录下,修改其中的Makefile,添加两行（可放在文档的开头）,
ARCH？
=arm
CROSS_COMPILE?
=arm-linux-gnueabi-
（2）进入到u-boot-2012、04文件夹下,终端输入命令:
makeca9x4_ct_vxp_config
make
结果如下:
结果会在u-boot-2012、04文件夹下生成u-boot、bin等文件,如下图所示:
（3）然后在终端中执行下面的命令,来启动U-boot
qemu-system-arm-Mvexpress-a9-m256M-nographic-kernelu-boot
或者
qemu-system-arm-Mvexpress-a9-m256M-serialstdio-kernelu-boot
结果如下图:
此时就是检测Flashfailed后停止运行,就是因为在arch/arm/lib/board、c里面board_init_r（）函数里检测Flash失败后调用了hang（）,暂时先把hang（）去掉就可以运行下去了。
正常的运行结果如下:
4、4编译并运行Linux
（1）到下载最新的Linux内核源码,（参考linux-3、4、4、tar、bz2）,解压后得到文件夹linux-3、4、4,修改Makefile,修改的位置如下图:
修改如下
ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
在linux-3、4、4目录下makevexpress_defconfig
然后makemenuconfig-->SystemType 把EnabletheL2x0outercachecontroller取消,否则Qemu会起不来。
然后make,会在arch/arm/boot/目录下生成zImage内核映像文件,这就就是我们需要的内核映像。
（2）制作根目录系统。
1、编译busybox
①下载busybox源码:
解压,还就是在busybox-1、21、0目录下的Makefile中修改
ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
②makemenuconfig进行配置
在BusyboxSetting--->BuildOpdions-->选择[]BuildBusyBoxasastaticbinary（nosharedlibs）使用静态编译
③make,会在目录中产生install文件,
④makeinatall,会在目录中生成文件夹_install,
2、制作根文件系统目录
mkdirrootfs
cdrootfs
（1）建立目录结构
mkdirbinetcdevlibproctmproothomesysusrsbinvarmnt
（2）运行库-来自工具链
cp-a/usr/arm-linux-gnueabi/lib/*lib
（3）配置文件-来自busybox
cp-a/examples/bootfloppy/etc/*etc
（4）busybox工具集
cp-a/_install/*、
（5）设备文件
udocp-a/dev/console/dev/loop0 /dev/loop1 /dev/null /dev/ram0 /dev/tty /dev/tty0 /dev/tty1 /dev/zerodev
（6）修改mdev配置,mdev负责自动生成设备节点,mdev、conf就是配置文件
vimetc/mdev、conf
controlC[0-9]0:
00660=snd/
pcm、*0:
00660=snd/
seq、*0:
00660=snd/
mix、*0:
00660=snd/
timer0:
00660=snd/
其她特殊要求的设备文件,同样道理即可、
（7）修改启动配置
vietc/init、d/rcS
增加
mount-n-tprocnone/proc
mount-n-tsysfsnone/sys
mdev-s这句很重要,生成所有的设备节点
如果用nfs的话,有了以上目录就可以了
3、根文件系统镜像
ddif=/dev/zeroof=rootfs、imgbs=1Mcount=64#32M的镜像
mkfs、ext3rootfs、img
mkdirtmpfs
sudomount-olooprootfs、imgtmpfs
sudocp-arootfs/*tmpfs/
sudoumounttmpfs
rootfs、img中就有了文件系统镜像了,ext3格式、
（3）QEMU运行Linux系统
qemu-system-arm-Mvexpress-a9-m256M-kernel/home/syl/linux-3、4、4/arch/arm/boot/zImage-append"root=/dev/mmcblk0console=tty0init=/linuxrc"-sdrootfs、img
运行结果如下:
/home/syl/linux-3、4、4/arch/arm/boot/就是放置内核镜像的路径。
4、5在目标机（Linux系统）中运行应用程序
用户应用程序在目标机上运行有两种方法:
①将编译后的可执行文件放入到根文件系统中,在做成根文件系统的镜像后,由内核调用并执行。
②使用NFS（网络文件系统）在本地机与目标机之间建立通信。
1）QEMU与Ubuntu之间的通信
1.首先在Ubuntu上安装NFS网络文件系统apt-getinstallnfs-kernel-server
2.在NFS服务的配置文件/etc/exports中添加:
/ *（rw,no_root_squash,insecure）
3.关闭Ubuntu的网关,避免连接不上:
在/etc/resolv、conf中全部注释掉,不要DNS服务器地址。
4.在宿主机Ubuntu中开启NFS服务:
/etc/init、d/nfs-kernel-serverstart
5.再次启动Qemu,在最后面添加如下命令
-netuser-netnic–s
6.最后,在目标机中配置网络、挂载NFS文件系统、切换根文件系统:
ifconfigeth010、0、2、15up
routeadddefaultgw10、0、2、2
mount-tnfs-onolock192、168、1、241:
//mnt
这样就可将192、168、1、241的主机的文件系统挂载到/mnt目录下。
（注:
192、168、1、241就是我的Ubuntu的IP地址,可用ifconfig查瞧本地机的IP地址。
）
图
（一）
图
（二）
图
（一）就是查瞧/mnt目录下所挂载的本地机的文件系统,图
（二）就是本地机的文件系统,比较以上两图可知,本地机上的文件系统在目标机上挂载成功。
2）测试HelloWorld、
①在本地机上使用vim编辑HelloWorld测试程序hello、c;
②编译hello、c生成可执行文件;
③将可执行文件在目标机上运行。
思考题
1、QEMU运行的Linux系统中就是否需要安装gcc。
2、在本地机（Ubuntu）编译应用程序时,就是使用gcc还就是arm-linux-gcc？
为什么？
3、如何将可执行文件在系统开机后自启动？
4、QEMU运行的Linux系统就是命令行模式,如何将它改成图形用户界面模式？
从零使用qemu模拟器搭建arm运行环境
为什么会有这篇文章
早在2011年的时候,跟当时同事一起讨论,做Linux系统开发正处于整个Linux开发中间层,没有上层的C/C++业务与数据库的开发经验,也没有底层的内核与驱动开发经验,到底路该如何走……基于对Linux系统开发的理解与内核的兴趣,认为选择Linux内核开发更适合自己。
于就是到淘宝上买了块三星s3c2440（arm9）开发板,学起内核开发。
没有过多久,机缘巧合,正式加入了公司的内核开发部。
就这样跟内核与arm打上交道了。
没有想到这一做就就是3年了,arm芯片只有在公司才能使用,回到家里就不能访问了。
去年（2014）开始觉得做内核久了,应该向内核社区提交patch,提升知名度与影响力。
但在公司提交patch不方便,于就是在家里通过qemu方式搭建于ARMA9的运行环境,进行开发与测试验证,一口气提交了好几个patch（link1, link2, link3, link4, link5）并被社区接纳了。
最近在梳理Linux内存机制,无论就是《深入理解Linux内核》还就是《深入理解内核架构》这两本红宝书都无法告知您每个细节的时候,就需要查瞧代码细节,修改代码,甚致做行为分析。
此时需要修改代码输出调试信息,以帮助更深入体会代码的逻辑。
这该就是qemu派上场的时候。
其实我前前后后搭建qemu+arm的运行环境已超过5次了,每次都要花上很多时间。
碰巧昨天有同事瞧到我再次搭建,她如搭珍宝,告诉我一定要将搭建qemu的方法告诉她。
所以,如果您想买个开发板来做arm+linux嵌入式开发,完全可以使用qemu进行开发。
或者您像我一样,对内核机制关心,而不关心于具体的外设器件,最多就是关心arm架构相关的功能,也可以使用qemu进行开发。
一句话:
搭建qemu+arm环境,用于做内核开发与功能分析调试。
搭建环境
我整个搭建过程都就是在笔记本上进行的,Ubuntu12、04系统;如果就是Fodera环境,搭建过程可能略有不同,但关键步骤就是不变的。
qemu模拟得最好的arm芯片,要数ARM公司的vexpressA9开发板了,本文的搭建过程都就是围绕这个开发板进行的。
当然,如果您想搭其它开发板,也不难,只要qemu与内核对它有成熟的支持就够了。
下面就是stepbystep的搭建过程,建议没有特别诉求的朋友,按照下在面的步骤操作。
或者先根据下面的步骤成功搭建vexpress运行环境之后,再根据自己的需求进行更改。
下载Linux内核
下载内核有两种方法,一种就是用Git直接下载内核代码树,方便后面的内核开发。
另一种就是直接到内核社区下载对应版本的源码包。
我采用第一种方法,但后面发现主线上3、18版本与后面版本的代码,使用这种搭建方法运行不起来。
目前未查明问题的根因。
如果读者想快速搭建成功,建议选用3、16版本的内核进行搭建。
方法一:
使用git
gitclonegit:
//git、kernel、org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux、git
方法二:
直接下载3、16源代码包
wget
安装arm的交叉编译工具链
想必做嵌入式开发的朋友,对交叉编译工具链不陌生。
如果您订制一个交叉编译工具链,建议您使用crosstool-ng开源软件来构建。
但在这里建议直接安装arm的交叉编译工具链:
sudoapt-getinstallgcc-arm-linux-gnueabi
编译Linux内核
生成vexpress开发板子的config文件:
makeCROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-ARCH=armvexpress_defconfig
编译:
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-ARCH=arm
生成的内核镱像位于arch/arm/boot/zImage,后续qemu启动时需要使用该镜像。
下载与安装qemu模拟器
其实Ubuntu12、04有qemu的安装包,但由于版本较低,对vexpress开发板支持不友好,建议下载高版本的qemu:
wget
配置qemu前,需要安装几个软件包:
sudoapt-getinstallzlib1g-dev
sudoapt-getinstalllibglib2、0-0
sudoapt-getinstalllibglib2、0-dev
配置qemu,支持模拟arm架构下的所有单板:
、/configure--target-list=arm-softmmu--audio-drv-list=
编译与安装:
make
makeinstall
测试qemu与内核能否运行成功
qemu已经安装好了,内核也编译成功了,到这里最好就是测试一下,编译出来的内核就是否OK,或者qemu对vexpress单板支持就是否够友好。
运行命令很简单:
qemu-system-arm-Mvexpress-a9-m512M-kernel/home/ivan/kernel_git/linux/arch/arm/boot/zImage-nographic -append"console=ttyAMA0"
如果瞧到内核启动过程中的打印,说明前的搭建就是成功的。
这里简单介绍下qemu命令的参数:
-Mvexpress-a9模拟vexpress-a9单板,您可以使用-M?
参数来获取该qemu版本支持的所有单板
-m512M单板运行物理内存512M
-kernel /home/ivan/kernel_git/linux/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,串口设备就是哪个tty。
注意:
我每次搭建,都忘了内核启动参数中的console=参数应该填上哪个tty,因为不同单板串口驱动类型不尽相同,创建的tty设备名当然也就是不相同的。
那vexpress单板的tty设备名就是哪个呢？
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。
制作根文件系统
到这里就是否大功告成了呢？
其实在上面的测试中,您会发现内核报panic,因为内核找不到根文件系统,无法启init进程。
根文件系统要考虑两个方面:
1、根文件系统的内容
如果您瞧过《LinuxFromScratch》,相信您会对这一步产生恐惧感,但如果一直从事嵌入式开发,就可以放下心来。
根文件系统就就是简单得不能再简单的几个命令集与态动态而已。
为什么LinuxFromScratch会有那么复杂,就是因为它要制作出一个Linux发生版。
但在嵌入式领域,几乎所有的东西,都就是mini版本,根文件系统也不例外。
本文制本的根文件系统=busybox（包含基础的Linux命令） +运行库+几个字符设备
2、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NorFlash上,也可以放到SD卡,甚至外部磁盘上。
最关键的一点就是您要清楚知道开发板有什么存储设备。
本文直接使用SD卡做为存储空间,文件格式为ext3格式
下载、编译与安装busybox
wget、NET/downloads/busybox-1、20、2、tar、bz2
makedefconfig
makeCROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
makeinstall CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
安装完成后,会在busybox目录下生成_install目录,该目录下的程序就就是单板运行所需要的命令。
形成根目录结构
先在Ubuntu主机环境下,形成目录结构,里面存放的文件与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（在开发板瞧来就就是SD卡）,这个临时的目录结构称为根目录
1、 创建rootfs目录（根目录）,根文件系统内的文件全部放到这里
sudomkdirrootfs
2、拷贝busybox命令到根目录下
sudocpbusybox-1、20、2/_install/*-rrootfs/
3、从工具链中拷贝运行库到lib目录下
sudocp-P/usr/arm-linux-gnueabi/lib/*rootfs/lib/
4、创建4个tty端终设备
sudomknodrootfs/dev/tty1 c41
sudomknodrootfs/dev/tty2c42
sudomknodrootfs/dev/tty3c43
sudomknodrootfs/dev/tty4c44
制作根文件系统镜像
1、生成32M大小的镜像
ddif=/dev/zeroof=a9rootfs、ext3bs=1Mcount=32
2、格式化成ext3文件系统
mkfs、ext3a9rootfs、ext3
3、 将文件拷贝到镜像中
sudomkdirtmpfs
sudomount-text3a9rootfs、ext3tmpfs/-oloop
cp-rrootfs/* tmpfs/
sudoumounttmpfs
系统启动运行
完成上述所有步骤之后,就可以启动qemu来模拟vexpress开发板了,命令参数如下:
qemu-system-arm-Mvexpress-a9-m512M-kernel/home/ivan/qemu/linux/arch/arm/boot/zImage-nographic-append"root=/dev/mmcblk0 console=ttyAMA0" -sda9rootfs、ext3
从内核启动打印,到命令行提示符出现,激动人心的时刻出现了……
写在后面的话
通过上面的步骤,搭建出来一个最小的qemu+arm开发环境,您可以上面的基础上修改内核,或者增加一些测试程序在单板上运行,甚至使用单板的flash设备。
在此,您可以做纯arm架构的内核开发,或者与架构无关的内核开发,也可以做单板相关的驱动开发
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