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！