一文教你如何在x86平臺用Qemu來模擬ARM系統(tǒng)
前言
為什么需要ARM模擬系統(tǒng)
Qemu是什么?
Qemu的兩種模式
Qemu 能做什么?或者說適合做什么?
在 Ubuntu16.04 系統(tǒng)中,利用 Qemu 搭建一個(gè)ARM虛擬機(jī)
測試HelloWorld應(yīng)用程序
總結(jié)
軟件下載地址
前言
前一段時(shí)間因?yàn)楣ぷ餍枰,我對ARM模擬器進(jìn)行了一番調(diào)研。調(diào)研目的是:由于項(xiàng)目參與人員比較多,如果人手一塊ARM開發(fā)板,資源比較緊張,希望能夠用模擬器來代替。
在調(diào)研期間,花費(fèi)了很多時(shí)間去查資料、測試驗(yàn)證。在實(shí)際驗(yàn)證的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象:很多文章雖然給出了或簡單、或詳細(xì)的操作步驟,但是大部分都沒有寫清楚操作的背景、各個(gè)軟件的版本,這就導(dǎo)致需要把整個(gè)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(dá)的是什么意思,操作的目的是什么。
我覺得,任何一篇文章,首先要讓讀者知道為什么要讀這篇文章,或者說讀了這篇文章能夠有什么收獲。
如果是操作性比較強(qiáng)的文章,那么就有必要交代清楚工作平臺的背景是什么,要達(dá)到的目的是什么,總體步驟是怎么樣的。只有這樣,閱讀文章的人在心中首先建立一個(gè)宏觀的框架,在理解框架的基礎(chǔ)上,再去實(shí)際操作,這樣的話就更容易理解。
當(dāng)然了,每個(gè)人的學(xué)習(xí)和閱讀習(xí)慣都不一樣,上面只是我個(gè)人的感受,或者說我喜歡這樣比較有條理的文章,這樣才不至于迷茫。
回到Qemu的主題上來,這篇文章主要是把調(diào)研的結(jié)果進(jìn)行梳理、匯總,包括如下內(nèi)容:
為什么需要ARM模擬系統(tǒng)?
Qemu是什么?
Qemu 能做什么?或者說適合做什么?
在 Ubuntu16.04 系統(tǒng)中,利用 Qemu 搭建一個(gè)ARM虛擬機(jī)操作步驟是什么?
編寫一個(gè)HelloWorld程序,放到虛擬機(jī)中執(zhí)行。
為什么需要ARM模擬系統(tǒng)
ARM平臺的軟件開發(fā)工作,可以劃分為2類:
應(yīng)用程序的開發(fā)
系統(tǒng)開發(fā)(內(nèi)核、文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序)
應(yīng)用程序的開發(fā)
我們在開發(fā)嵌入式項(xiàng)目的時(shí)候,一般都是先在x86平臺上把大部分的功能開發(fā)完成,然后再交叉編譯,得到在ARM平臺的可執(zhí)行程序或者庫文件。再通過scp指令或者NFS遠(yuǎn)程掛載的方式,把這些文件復(fù)制到ARM板子上之后執(zhí)行。
一般而言,應(yīng)用程序就是利用硬件產(chǎn)品的各種資源、外設(shè),來完成特定的功能,比如:數(shù)據(jù)采集、控制外部設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)鹊。主要的特征就是與外部的各種設(shè)備進(jìn)行交互。
系統(tǒng)開發(fā)(BSP)
系統(tǒng)開發(fā)的最終目的是:為應(yīng)用程序的執(zhí)行準(zhǔn)備一個(gè)基本的執(zhí)行環(huán)境,內(nèi)容包括:系統(tǒng)引導(dǎo)程序bootloader,內(nèi)核kernel,文件系統(tǒng)rootfs,系統(tǒng)中所有設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。在實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)中,系統(tǒng)開發(fā)難度更大一些,一旦開發(fā)完成,對于一塊板子來說基本上不會(huì)輕易變動(dòng),代碼的使用生命周期更長。
以上這兩種分類,主要是從開發(fā)工作的內(nèi)容角度來進(jìn)行劃分的。可以看出:
應(yīng)用程序開發(fā):靈活性更大、需求變動(dòng)會(huì)更多(產(chǎn)品經(jīng)理或項(xiàng)目經(jīng)理經(jīng)常給你改需求)。
系統(tǒng)軟件開發(fā):需求更穩(wěn)定、很多代碼都是官方提供或者開源的,工作內(nèi)容就是進(jìn)行定制、裁剪。
對于系統(tǒng)軟件開發(fā)來說,如果每次編譯出一個(gè)bootloader、或者kernel,都上一個(gè)ARM開發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證,的確比較麻煩。如果能有一個(gè)ARM模擬系統(tǒng),直接在x86上進(jìn)行模擬,工作效率就會(huì)提高很多。
Qemu是什么?
Qemu是一個(gè)開源的托管虛擬機(jī),通過純軟件來實(shí)現(xiàn)虛擬化模擬器,幾乎可以模擬任何硬件設(shè)備。比如:Qemu可以模擬出一個(gè)ARM系統(tǒng)中的:CPU、內(nèi)存、IO設(shè)備等,然后在這個(gè)模擬層之上,可以跑一臺ARM虛擬機(jī),這個(gè)ARM虛擬機(jī)認(rèn)為自己在和硬件進(jìn)行打交道,但實(shí)際上這些硬件都是Qemu模擬出來的。
正因?yàn)镼emu是純軟件實(shí)現(xiàn)的,所有的指令都要經(jīng)過它的轉(zhuǎn)換,所以性能非常低。所以在生產(chǎn)環(huán)境中,大多數(shù)的做法都是配合KVM來完成虛擬化工作,因?yàn)镵VM是硬件輔助的虛擬化技術(shù),主要負(fù)責(zé)比較繁瑣的CPU和內(nèi)存虛擬化,而Qemu則負(fù)責(zé)I/O虛擬化,兩者合作各自發(fā)揮自身的優(yōu)勢,相得益彰。這部分不是重點(diǎn),就不具體深入介紹了。
Qemu的兩種模式
Qemu有兩種執(zhí)行模式:
用戶模式(User mode):利用動(dòng)態(tài)代碼翻譯機(jī)制來執(zhí)行不同主機(jī)架構(gòu)的代碼,例如:在x86平臺上模擬執(zhí)行ARM代碼,也就是說:我們寫一條ARM指令,傳入整個(gè)模擬器中,模擬器會(huì)把整個(gè)指令翻譯成x86平臺的指令,然后在x86的CPU中執(zhí)行。
系統(tǒng)模式(System mode):模擬整個(gè)電腦系統(tǒng),利用其它VMM(Xen, KVM)來使用硬件提供的虛擬化支持,創(chuàng)建接近于主機(jī)性能的全功能虛擬機(jī)。
Qemu 能做什么?或者說適合做什么?
因?yàn)镼emu是使用純軟件模擬的,它的強(qiáng)項(xiàng)是模擬那些不涉及到外部的具體硬件設(shè)備的場景,比如:
想學(xué)習(xí)如何定制bootloader;
想在Arm系統(tǒng)中進(jìn)行文件系統(tǒng)的裁剪,學(xué)習(xí)文件系統(tǒng)的掛載過程;
想體驗(yàn)一下如何配置、裁剪linux kernel;想學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)中的設(shè)備樹;
...
以上這些場景中,都非常適合使用Qemu來模擬ARM系統(tǒng)。
在 Ubuntu16.04 系統(tǒng)中,利用 Qemu 搭建一個(gè)ARM虛擬機(jī) 使用Qemu虛擬機(jī)的幾種選擇
利用Qemu來運(yùn)行ARM虛擬機(jī),你有2個(gè)選擇:
簡單方式:直接下載別人編譯好的映像文件(包含了內(nèi)核,根文件系統(tǒng)),直接執(zhí)行即可。
缺點(diǎn)是:別人編譯好的也許不適合你的需求,沒法定制。復(fù)雜方式:自己下載內(nèi)核代碼、根文件系統(tǒng)代碼(例如:busybox),然后進(jìn)行編譯。
優(yōu)點(diǎn)是:可以按照自己的實(shí)際需求,對內(nèi)核、根文件系統(tǒng)機(jī)型裁剪。
在第2種復(fù)雜模式中,又可以有2個(gè)選擇:
2-1. 內(nèi)核代碼、根文件系統(tǒng)代碼全部自己手動(dòng)編譯,最后把這些編譯結(jié)果手動(dòng)組織在一個(gè)文件夾中,形成自己的根目錄;
2-2. 利用 buildroot 整個(gè)框架,只需要手動(dòng)進(jìn)行配置(比如:交叉編譯器在本機(jī)上的位置、輸出路徑、系統(tǒng)的裁剪),然后就可以一鍵編譯出一個(gè)完整的系統(tǒng),可以直接燒寫到機(jī)器!
以上這幾種操作方式的選擇,可以根據(jù)自己的實(shí)際需要來選擇。如果對構(gòu)建系統(tǒng)的整個(gè)流程已經(jīng)非常熟悉了,就利用buildroot工具;如果是想更徹底的學(xué)習(xí)制作一個(gè)系統(tǒng),那就手動(dòng)一步一步的實(shí)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(jìn)行實(shí)際操作一遍。所有的指令部分,我都直接貼代碼,不用截圖,這樣方便復(fù)制。
測試平臺
我的工作電腦是Win10,通過VirtualBox安裝了Ubuntu16.04虛擬機(jī),64位系統(tǒng)。
下面的操作在Ubuntu16.04虛擬機(jī)中可以順利編譯,當(dāng)然,一些基本的工具(例如:build-essential, make等基礎(chǔ)工具軟件這里就不詳述了)。
安裝交叉編譯器
交叉編譯器的作用就不需要詳細(xì)解釋了,因?yàn)槲覀兪窃趚86平臺上進(jìn)行編譯,而運(yùn)行的平臺是ARM系統(tǒng),這2個(gè)平臺的指令集不一樣,所以需要交叉編譯得到ARM系統(tǒng)上可以執(zhí)行的程序。
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
驗(yàn)證安裝結(jié)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,然后手動(dòng)設(shè)置環(huán)境變量。我實(shí)際操作了一下,手動(dòng)下載的交叉編譯工具鏈在編譯內(nèi)核的時(shí)候報(bào)錯(cuò),所以還是建議直接用apt-get直接安裝。
編譯內(nèi)核kernel
內(nèi)核kernel的作用也是不言而喻的,就相當(dāng)于我們的Windows操作系統(tǒng),沒有這個(gè)操作系統(tǒng),硬件就是一堆廢鐵。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候,會(huì)把內(nèi)核加載到內(nèi)存中,然后從內(nèi)核的入口地址開始執(zhí)行。
下載內(nèi)核版本:linux-4.14.212.tar。在文末,我會(huì)列出所有的軟件包下載地址。
使用現(xiàn)成的vexpress開發(fā)板子的config文件
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm vexpress_defconfig
這個(gè)操作,會(huì)把vexpress_defconfig作為配置文件保存為.config,下面在編譯內(nèi)核時(shí)就根據(jù)這個(gè)config中的配置進(jìn)行編譯。
如果需要對內(nèi)核進(jìn)行裁剪,執(zhí)行:
make menuconfig
根據(jù)自己的實(shí)際需要,對內(nèi)核進(jìn)行定制。比如:可以配置網(wǎng)絡(luò)和NFS,在系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候就自動(dòng)掛載宿主機(jī)中的某個(gè)目錄。
編譯內(nèi)核make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm
編譯得到內(nèi)核文件arch/arm/boot/zImage,Qemu啟動(dòng)時(shí)需要指定使用這個(gè)映像文件。
制作根文件系統(tǒng)
內(nèi)核在啟動(dòng)之后、執(zhí)行到最后步驟時(shí),需要掛載根文件系統(tǒng),然后執(zhí)行文件系統(tǒng)中指定的執(zhí)行程序,例如:/etc/rc.local。
如果沒有跟文件系統(tǒng),那么內(nèi)核在執(zhí)行到最后就提示:panic...。
下載busybox
版本:busybox-1.20.2.tar.bz2。
創(chuàng)建rootfs根目錄
mkdir -p rootfs/{dev,etc/init.d,lib}
把busybox-1.20.2中的文件復(fù)制到rootfs根目錄下,主要是一些基本的命令cp busybox-1.20.2/_install -r rootfs/
把交叉編譯工具鏈中的庫文件復(fù)制到rootfs根目錄的lib文件夾下sudo cp -P /usr/arm-linux-gnueabi/lib rootfs/lib/
制作根文件系統(tǒng)鏡像根文件系統(tǒng)鏡像就相當(dāng)于一個(gè)硬盤,就是把上面rootfs根目錄中的所有文件復(fù)制到這個(gè)硬盤中。
(1) 生成512M大小的磁盤鏡像
qemu-img create -f raw disk.img 512M
(2) 把磁盤鏡像格式化成ext4文件系統(tǒng)
mkfs -t ext4 ./disk.img
(3) 將rootfs根目錄中的所有文件復(fù)制到磁盤鏡像中操作步驟是:創(chuàng)建掛載點(diǎn)-掛載-復(fù)制文件-卸載。
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(dòng)ARM虛擬機(jī)
1.啟動(dòng)虛擬機(jī)
這個(gè)命令有點(diǎn)長,測試時(shí)建議直接復(fù)制、粘貼。
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(jī)在Ubuntu另一個(gè)終端窗口中,通過killall指令來停止。
killall qemu-system-arm
當(dāng)然,也可以用ps指令找到qemu-system-arm的進(jìn)程號,然后通過kill -9來停止虛擬機(jī)。
測試HelloWorld應(yīng)用程序 在Ubuntu任意一個(gè)目錄,編寫HelloWorld可執(zhí)行程序hello.c:#include <stdio.h> int main() { printf("HelloWorld! "); return 0; }
交叉編譯hello.c,得到可執(zhí)行程序hello:arm-linux-gnueabi-gcc hello.c -o hello
通過file指令,查看一下hello程序:
file hello
通過kill命令停止虛擬機(jī)。
把hello可執(zhí)行程序復(fù)制到磁盤鏡像disk.img中操作步驟是:掛載-復(fù)制文件-卸載。
sudo mount -o loop ./disk.img tmpfs/ cp hello tmpfs/ sudo umount tmpfs
執(zhí)行hello程序再次啟動(dòng)虛擬機(jī),此時(shí)可以在根目錄下面看到hello文件,直接執(zhí)行即可看到輸出結(jié)果?偨Y(jié)
在以上的操作步驟中,我們把一個(gè)ARM系統(tǒng)在啟動(dòng)應(yīng)用程序之前,所需要的程序都手動(dòng)編譯、操作了一遍?匆槐楹苋菀拙兔靼,親手操作一遍印象會(huì)更深刻。
這里的操作過程有些還需要繼續(xù)深入,比如:在系統(tǒng)啟動(dòng)之后,自動(dòng)掛載宿主機(jī)(Ubuntu系統(tǒng))中的某個(gè)文件夾,這樣就可以把hello等可執(zhí)行程序復(fù)制到掛載目錄中,然后在ARM系統(tǒng)中直接執(zhí)行了,而不用再執(zhí)行下面在一連串的操作(停止虛擬機(jī)-掛載磁盤鏡像-復(fù)制文件-卸載-啟動(dòng)虛擬機(jī))。
最后,希望這篇總結(jié)能給你帶來小小的收獲和提升!
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