一步步教你：如何用Qemu來模擬ARM系統

sewain發表於2020-12-29

這是道哥的第011篇原創

目錄

前言

前一段時間因為工作需要，我對ARM模擬器進行了一番調研。調研目的是：由於專案參與人員比較多，如果人手一塊ARM開發板，資源比較緊張，希望能夠用模擬器來代替。

在調研期間，花費了很多時間去查資料、測試驗證。在實際驗證的時候，發現一個現象：很多文章雖然給出了或簡單、或詳細的操作步驟，但是大部分都沒有寫清楚操作的背景、各個軟體的版本，這就導致需要把整個文章看完了、把所有的操作步驟都做了一遍，才明白作者想表達的是什麼意思，操作的目的是什麼。

我覺得，任何一篇文章，首先要讓讀者知道為什麼要讀這篇文章，或者說讀了這篇文章能夠有什麼收穫。

如果是操作性比較強的文章，那麼就有必要交代清楚工作平臺的背景是什麼，要達到的目的是什麼，總體步驟是怎麼樣的。只有這樣，閱讀文章的人在心中首先建立一個巨集觀的框架，在理解框架的基礎上，再去實際操作，這樣的話就更容易理解。

當然了，每個人的學習和閱讀習慣都不一樣，上面只是我個人的感受，或者說我喜歡這樣比較有條理的文章，這樣才不至於迷茫。

回到Qemu的主題上來，這篇文章主要是把調研的結果進行梳理、彙總，包括如下內容：

為什麼需要ARM模擬系統?
Qemu是什麼?
Qemu 能做什麼？或者說適合做什麼?
在 Ubuntu16.04 系統中，利用 Qemu 搭建一個ARM虛擬機器操作步驟是什麼？
編寫一個HelloWorld程式，放到虛擬機器中執行。

為什麼需要ARM模擬系統

ARM平臺的軟體開發工作，可以劃分為2類：

應用程式的開發
系統開發(核心、檔案系統、驅動程式)

應用程式的開發

我們在開發嵌入式專案的時候，一般都是先在x86平臺上把大部分的功能開發完成，然後再交叉編譯，得到在ARM平臺的可執行程式或者庫檔案。再通過scp指令或者NFS遠端掛載的方式，把這些檔案複製到ARM板子上之後執行。

一般而言，應用程式就是利用硬體產品的各種資源、外設，來完成特定的功能，比如：資料採集、控制外部裝置、網路傳輸等等。主要的特徵就是與外部的各種裝置進行互動。

系統開發(BSP)

系統開發的最終目的是：為應用程式的執行準備一個基本的執行環境，內容包括：系統載入程式bootloader，核心kernel，檔案系統rootfs，系統中所有裝置的驅動程式。在實際的專案開發中，系統開發難度更大一些，一旦開發完成，對於一塊板子來說基本上不會輕易變動，程式碼的使用生命週期更長。

以上這兩種分類，主要是從開發工作的內容角度來進行劃分的。可以看出：

應用程式開發：靈活性更大、需求變動會更多(產品經理或專案經理經常給你改需求)。
系統軟體開發：需求更穩定、很多程式碼都是官方提供或者開源的，工作內容就是進行定製、裁剪。

對於系統軟體開發來說，如果每次編譯出一個bootloader、或者kernel，都上一個ARM開發板進行驗證，的確比較麻煩。如果能有一個ARM模擬系統，直接在x86上進行模擬，工作效率就會提高很多。

Qemu是什麼？

Qemu是一個開源的託管虛擬機器，通過純軟體來實現虛擬化模擬器，幾乎可以模擬任何硬體裝置。比如：Qemu可以模擬出一個ARM系統中的：CPU、記憶體、IO裝置等，然後在這個模擬層之上，可以跑一臺ARM虛擬機器，這個ARM虛擬機器認為自己在和硬體進行打交道，但實際上這些硬體都是Qemu模擬出來的。

正因為Qemu是純軟體實現的，所有的指令都要經過它的轉換，所以效能非常低。所以在生產環境中，大多數的做法都是配合KVM來完成虛擬化工作，因為KVM是硬體輔助的虛擬化技術，主要負責比較繁瑣的CPU和記憶體虛擬化，而Qemu則負責I/O虛擬化，兩者合作各自發揮自身的優勢，相得益彰。這部分不是重點，就不具體深入介紹了。

Qemu的兩種模式

Qemu有兩種執行模式：

  1. 使用者模式(User mode)：利用動態程式碼翻譯機制來執行不同主機架構的程式碼，例如：在x86平臺上模擬執行ARM程式碼，也就是說：我們寫一條ARM指令，傳入整個模擬器中，模擬器會把整個指令翻譯成x86平臺的指令，然後在x86的CPU中執行。

  1. 系統模式(System mode)：模擬整個電腦系統，利用其它VMM(Xen, KVM)來使用硬體提供的虛擬化支援，建立接近於主機效能的全功能虛擬機器。

Qemu 能做什麼？或者說適合做什麼?

因為Qemu是使用純軟體模擬的，它的強項是模擬那些不涉及到外部的具體硬體裝置的場景，比如：

想學習如何定製bootloader；
想在Arm系統中進行檔案系統的裁剪，學習檔案系統的掛載過程;
想體驗一下如何配置、裁剪linux kernel；
想學習Linux系統中的裝置樹；
...

以上這些場景中，都非常適合使用Qemu來模擬ARM系統。

在 Ubuntu16.04 系統中，利用 Qemu 搭建一個ARM虛擬機器

使用Qemu虛擬機器的幾種選擇

利用Qemu來執行ARM虛擬機器，你有2個選擇：

  1. 簡單方式：直接下載別人編譯好的映像檔案(包含了核心，根檔案系統)，直接執行即可。


    缺點是：別人編譯好的也許不適合你的需求，沒法定製。
  2. 複雜方式：自己下載核心程式碼、根檔案系統程式碼(例如：busybox)，然後進行編譯。


    優點是：可以按照自己的實際需求，對核心、根檔案系統機型裁剪。

在第2種複雜模式中，又可以有2個選擇：

2-1. 核心程式碼、根檔案系統程式碼全部自己手動編譯，最後把這些編譯結果手動組織在一個資料夾中，形成自己的根目錄；
2-2. 利用 buildroot 整個框架，只需要手動進行配置(比如：交叉編譯器在本機上的位置、輸出路徑、系統的裁剪)，然後就可以一鍵編譯出一個完整的系統，可以直接燒寫到機器!

以上這幾種操作方式的選擇，可以根據自己的實際需要來選擇。如果對構建系統的整個流程已經非常熟悉了，就利用buildroot工具；如果是想更徹底的學習製作一個系統，那就手動一步一步的實際編譯、操作一遍，多練幾次，你就變成大牛了。

下面，我們就按照2-2的方式，進行實際操作一遍。所有的指令部分，我都直接貼程式碼，不用截圖，這樣方便複製。

測試平臺

我的工作電腦是Win10，通過VirtualBox安裝了Ubuntu16.04虛擬機器，64位系統。

下面的操作在Ubuntu16.04虛擬機器中可以順利編譯，當然，一些基本的工具(例如：build-essential, make等基礎工具軟體這裡就不詳述了)。

安裝交叉編譯器

交叉編譯器的作用就不需要詳細解釋了，因為我們是在x86平臺上進行編譯，而執行的平臺是ARM系統，這2個平臺的指令集不一樣，所以需要交叉編譯得到ARM系統上可以執行的程式。

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

驗證安裝結果

dpkg -l gcc-arm-linux-gnueabi

顯示如下：

有些文章建議自己下載交叉編譯器，然後手動設定環境變數。我實際操作了一下，手動下載的交叉編譯工具鏈在編譯核心的時候報錯，所以還是建議直接用apt-get直接安裝。

編譯核心kernel

核心kernel的作用也是不言而喻的，就相當於我們的Windows作業系統，沒有這個作業系統，硬體就是一堆廢鐵。當系統啟動的時候，會把核心載入到記憶體中，然後從核心的入口地址開始執行。

  1. 下載核心
    版本：linux-4.14.212.tar。
    在文末，我會列出所有的軟體包下載地址。

  2. 使用現成的vexpress開發板子的config檔案

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

這個操作，會把vexpress_defconfig作為配置檔案儲存為.config，下面在編譯核心時就根據這個config中的配置進行編譯。

如果需要對核心進行裁剪，執行：

make menuconfig

根據自己的實際需要，對核心進行定製。比如：可以配置網路和NFS，在系統啟動的時候就自動掛載宿主機中的某個目錄。

  1. 編譯核心
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm

編譯得到核心檔案arch/arm/boot/zImage，Qemu啟動時需要指定使用這個映像檔案。

製作根檔案系統

核心在啟動之後、執行到最後步驟時，需要掛載根檔案系統，然後執行檔案系統中指定的執行程式，例如：/etc/rc.local。

如果沒有跟檔案系統，那麼核心在執行到最後就提示：panic...。

  1. 下載busybox

    版本：busybox-1.20.2.tar.bz2。

  2. 建立rootfs根目錄

mkdir -p rootfs/{dev,etc/init.d,lib}
  1. 把busybox-1.20.2中的檔案複製到rootfs根目錄下，主要是一些基本的命令
cp busybox-1.20.2/_install/* -r rootfs/
  1. 把交叉編譯工具鏈中的庫檔案複製到rootfs根目錄的lib資料夾下
sudo cp -P /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* rootfs/lib/
  1. 製作根檔案系統映象
    根檔案系統映象就相當於一個硬碟，就是把上面rootfs根目錄中的所有檔案複製到這個硬碟中。

(1) 生成512M大小的磁碟映象

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

(2) 把磁碟映象格式化成ext4檔案系統

mkfs -t ext4 ./disk.img

(3) 將rootfs根目錄中的所有檔案複製到磁碟映象中
操作步驟是：建立掛載點-掛載-複製檔案-解除安裝。

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

(4) 使用file指令檢查一下

file disk.img

利用Qemu啟動ARM虛擬機器

1.啟動虛擬機器

這個命令有點長，測試時建議直接複製、貼上。

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel ./linux-4.14.212/arch/arm/boot/zImage -dtb  ./linux-4.14.212/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd disk.img

2.停止虛擬機器
在Ubuntu另一個終端視窗中，通過killall指令來停止。

killall qemu-system-arm

當然，也可以用ps指令找到qemu-system-arm的程式號，然後通過kill -9來停止虛擬機器。

測試HelloWorld應用程式

  1. 在Ubuntu任意一個目錄，編寫HelloWorld可執行程式hello.c：
#include <stdio.h> 
int main() 
{     
    printf("HelloWorld! \n");
    return 0; 
}
  1. 交叉編譯hello.c，得到可執行程式hello：
arm-linux-gnueabi-gcc hello.c -o hello

通過file指令，檢視一下hello程式：

file hello

  1. 通過kill命令停止虛擬機器。

  2. 把hello可執行程式複製到磁碟映象disk.img中
    操作步驟是：掛載-複製檔案-解除安裝。

sudo mount -o loop ./disk.img tmpfs/  
cp hello tmpfs/ 
sudo umount tmpfs
  1. 執行hello程式
    再次啟動虛擬機器，此時可以在根目錄下面看到hello檔案，直接執行即可看到輸出結果。

總結

在以上的操作步驟中，我們把一個ARM系統在啟動應用程式之前，所需要的程式都手動編譯、操作了一遍。看一遍很容易就明白，親手操作一遍印象會更深刻。

這裡的操作過程有些還需要繼續深入，比如：在系統啟動之後，自動掛載宿主機(Ubuntu系統)中的某個資料夾，這樣就可以把hello等可執行程式複製到掛載目錄中，然後在ARM系統中直接執行了，而不用再執行下面在一連串的操作(停止虛擬機器-掛載磁碟映象-複製檔案-解除安裝-啟動虛擬機器)。

最後，希望這篇總結能給你帶來小小的收穫和提升！

軟體下載地址

  1. linux-4.14.212.tar.xz
    連結：https://pan.baidu.com/s/1d8RxjMkYQhPtbZgiybD8Gw
    提取碼：b6ft

  2. busybox-1.20.2.tar.bz2
    連結：https://pan.baidu.com/s/1oPeH7juEWuFR6y1Qpna_BA
    提取碼：9kh6


【原創宣告】

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