QEMU 仿真入门

Windows 版本

下载 QEMU

官网下载页提供了 x64 位 Windows QEMU 下载；

下载安装时，只用选择 qemu-system-arm 即可；

接着添加安装路径 D:\Program Files\qemu 到系统全局环境变量 Path 即可；

查看支持仿真的信息

# 查看支持仿真的终端板（machines）
qemu-system-arm.exe -M help

# 查看支持仿真的设备（输入、显示等）
qemu-system-arm.exe -device help

仿真 mcimx6ul-evk

运行 mcimx6ul-evk（空程序）

注意这样运行没有卵用，只是看看能运行；

# 弹出 qemu 的控制台窗口（还是字符界面）
qemu-system-arm.exe -M mcimx6ul-evk
# 无图形窗口
qemu-system-arm.exe -M mcimx6ul-evk -nographic

Linux 版本

下载 QEMU 源码

官网下载页提供了 5.0.0 的源码；

编译 QEMU

安装依赖：

sudo apt install pkg-config
sudo apt install libglib2.0-dev
sudo apt install libpixman-1-dev

接下来进入源码目录，按需编译即可，直接 ./configure 会生成编译全部架构的配置，没有必要；

如下两个架构选择需要的一个即可；

# 32位arm配置
./configure --target-list=arm-softmmu --audio-drv-list=
# aarch64配置
./configure --target-list=aarch64-softmmu

进行编译（建议加 -j4 等并行编译）：

make

生成的目标文件在 arm-softmmu/qemu-system-arm

# 链接到 bin 目录
sudo ln -sf $(pwd)/arm-softmmu/qemu-system-arm /bin/qemu-system-arm

简单验证

查看版本：

jerry@CLOU-PC ~ → qemu-system-arm --version
QEMU emulator version 5.0.0
Copyright (c) 2003-2020 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

简单运行（空程序）：

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -nographic

按下 Ctrl 键和 A 键，然后释放这两个键，再按 X 键即可退出 QEMU；

运行 versatilepb

PB926EJ-S 是开发板型号，主控芯片是 arm926ejs；

部分资源地址如下：

Ethernet Interface FPGA PIC 25, SIC 25 0x10010000–0x1001FFFF 64KB
===
Vectored Interrupt Controller (PIC) Dev. chip - 0x10140000–0x1014FFFF 64KB
===
Timer modules 0 and 1 interface Dev. chip PIC 4 0x101E2000–0x101E2FFF 4KB
(Timer 1 starts at 0x101E2020)
Timer modules 2 and 3 interface Dev. chip PIC 5 0x101E3000–0x101E3FFF 4KB
(Timer 3 starts at 0x101E3020)
===
UART 0 Interface Dev. chip PIC 12 0x101F1000–0x101F1FFF 4KB
===
UART 1 Interface Dev. chip PIC 13 0x101F2000–0x101F2FFF 4KB
===

1.1 编写一个裸机程序

startup.S 如下：

.global _Reset
_Reset:
    ldr sp, =stack_top
    bl c_entry
    b .

test.c 如下：

volatile unsigned int *const UART0DR = (unsigned int *)0x101f1000;

void print_uart0(const char *s)
{
    while (*s) {
        *UART0DR = (unsigned int)(*s);
        s++;
    }
}

void c_entry()
{
    print_uart0("Hello World\n");
}

test.lds（设置程序入口，栈起始地址等）如下：

ENTRY(_Reset)
SECTIONS
{
    . = 0x10000;
    .startup . : { startup.o(.text) }
    .text : { *(.text) }
    .data : { *(.data) }
    .bss : { *(.bss COMMON) }
    . = ALIGN(8);
    . = . + 0x1000;
    stack_top = .;
}

1.2 编译上面的程序

arm-linux-gnueabi-as -mcpu=arm926ej-s -g startup.S -o startup.o
arm-linux-gnueabi-gcc -c -mcpu=arm926ej-s -g test.c -o test.o
arm-linux-gnueabi-ld -T test.lds test.o startup.o -o test.elf
arm-linux-gnueabi-objcopy -O binary test.elf test.bin

1.3 使用 qemu 运行上面的程序

qemu-system-arm -M versatilepb -m 128M -nographic -kernel test.bin

运行 vexpress-a9

介绍

vexpress（Versatile Express Family）是 ARM 推出的开发板，主要是为了方便 SOC 厂商设计、验证和测试 SOC 芯片设计；

官网资料已丢失，建议参考 github-LKDemo 进行实验；

1. 1 下载 uboot2017.11-rc4

点这里下载

1.2 编译 uboot

自行下载 4.9.4编译器 arm-linux-gnueabi-

make vexpress_ca9x4_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

在 uboot 工程根目录生成了 u-boot、u-boot.bin 等目标文件；

大概 u-boot 是 qemu 使用的，u-boot.bin 是烧写到目标终端上的；

1.3 运行 u-boot

qemu-system-arm \
-M vexpress-a9 \
-nographic \
-m 512M \
-kernel u-boot

仿真结果：

U-Boot 2017.11-rc4 (Jul 09 2020 - 09:56:58 +0800)

DRAM:  512 MiB
WARNING: Caches not enabled
Flash: 128 MiB
MMC:   MMC: 0
*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial
Out:   serial
Err:   serial
Net:   smc911x-0
Hit any key to stop autoboot:  0
=>
=> version
U-Boot 2017.11-rc4 (Jul 09 2020 - 09:56:58 +0800)

arm-linux-gnueabi-gcc (Linaro GCC 4.9-2017.01) 4.9.4
GNU ld (Linaro_Binutils-2017.01) 2.24.0.20141017 Linaro 2014_11-3-git
=>

2.1 下载 linux-5.7.7

官网下载最新稳定版 linux：点这里下载

2.2 编译 linux

安装依赖：

sudo apt install flex bison

进行编译：

注意 export xxx=yyy 后不要有空格；

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

# 生成 .config 配置文件
make vexpress_defconfig

# 编译内核
make zImage

# [可选]编译模块
make modules

# 编译设备树
make dtbs

会生成 arch/arm/boot/zImage 内核文件；

会生成 arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb 设备树文件；

3.1 下载 buildroot-2020.05

点这里下载

3.2 构建 rootfs

安装依赖：

sudo apt install unzip

图形化配置生成 .config 配置文件：

make menuconfig

Target options 按照以下配置：

Target Architecture：目标架构，这里选择 ARM(little endian)，ARM小端模式；
Target Binary Format：二进制格式为 ELF；
Target Architecture Variant：架构体为 cortex-A9；
Target ABI：应用程序二进制接口，为EABI；
Floating point strategy：浮点数的策略，选择为 Soft float；

注意 qemu 仿真都需要选软浮点；

非仿真情况下，如终端支持硬浮点，就选择硬浮点；
ARM instruction set：arm 汇编指令集，选择 ARM；

Build options 是下载和编译用到的选项，一般默认就好；

Toolchain 是工具链选项：

Toolchain type：编译工具链选择 external toolthain；
Toolchain：选择 Custom toolchain；
Toolchain origin：选择 Pre-installed toolchain；
Toolchain path：填入 /home/jerry/public/gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabi，也就是交叉编译器所在根文件夹；
Toolchain prefix：填入 $(ARCH)-linux-gnueabi；
External toolchain gcc version 选择交叉编译工具的 gcc 版本；
External toolchain kernel headers series 百度教你选择，也可随便选择，报错后会提示正确的版本；
External toolchain C library：选择 glibc/eglibc；
Toolchain has SSP support? 一般选 glibc 后自动勾选。如未请手动勾选，否则 glibc 报错；

System configuration 是文件系统设置项：

Root FS skeleton 默认即可；
System hostname：填写 myhost；
System banner：填写 Welcome to jerry's host；
Init system：填写 BusyBox；

各个初始化系统的区别看：这篇文章；
/dev management：选择 Dynamic using devtmpfs + eudev；

mdev 和 eudev 区别请百度，也建议先百度一下再选适合的；
Path to the permission tables：一定填写 system/device_table_dev.txt；
Root password：是 root 账户的密码。默认登录 root 账户，如果为空，那么登录就不需要密码；
Run a getty (login prompt) after boot：
- TTY port：配置为 ttyAMA0
  
  这个需要确定调试串口在 kernel 上对应的设备节点；
  
  vexpress-a9 默认是 ttyAMA0；
- Baudrate：配置为 115200

Filesystem images 文件系统镜像相关设置项：

ext2/3/4 root filesystem：选择 ext3；

以上完成后，进行编译：

make

编译后生成 tar 文件： output/image/rootfs.tar（默认配置了 tar 打包，可自行二次打包）
编译后生成 ext3 文件：output/image/rootfs.ext3（QEMU 仿真的目标文件系统镜像）

4. 运行 kernel + 文件系统

先将 zImage、vexpress-v2p-ca9.dtb、rootfs.ext3 拷贝到同一目录，接着执行以下命令运行 kernel + 文件系统（SD卡）：

qemu-system-arm \
-nographic \
-M vexpress-a9 \
-m 512M \
-kernel zImage \
-dtb vexpress-v2p-ca9.dtb \
-sd rootfs.ext3 \
-append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0"

运行成功的结果：

Welcome to jerry's host
myhost login: root
Password:
#
# pwd
/root

5. 运行 kernel + ramfs

让我们制作最简 ramfs 镜像：

创建 hello.c 文件

#include <stdio.h>
void main(){
    printf("================\n");
    printf("Hello ramfs\n");
    printf("================\n");
    fflush(stdout);
    while(1);
}

静态编译 hello.c

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

创建 ramfs 镜像文件 —— rootfs

给 cpio 传递文件名打包到 rootfs 中；

如果需要文件夹打包，可用：find . | cpio -o --format=newc > rootfs
```
1
echo ./hello | cpio -o --format=newc > rootfs
```

接着将 zImage、vexpress-v2p-ca9.dtb、rootfs 拷贝到同一目录，然后执行以下命令运行 kernel + ramfs：

其中 -initrd 用于指定 ramfs 镜像文件，qemu 会自动将系统拷贝到内存中（对应设备 /dev/ram0 或者 /dev/ram）；

-append 中的 rdinit 指定初始程序，如果没有指定默认会去找 /init；

qemu-system-arm \
-nographic \
-M vexpress-a9 \
-m 512M \
-kernel zImage \
-dtb vexpress-v2p-ca9.dtb \
-initrd rootfs \
-append "root=/dev/ram rdinit=/hello console=ttyAMA0"

运行成功的结果：

Run /hello as init process
================
Hello ramfs
================

chroot+qemu-user-static 仿真各平台程序

安装 qemu-user-static

sudo apt install qemu-user-static

1.1 创建 hello.c 文件

#include <stdio.h>
void main(){
    printf("================\n");
    printf("Hello\n");
    printf("================\n");
    fflush(stdout);
    while(1);
}

1.2 调试 x86_64 版本的 hello

编译 hello.c 为 x86_64 版本

gcc -g hello.c -o hello

使用 chroot+qemu-x86_64-static 调试 hello，其中 gdbserver 的端口是 1234；

cp /usr/bin/qemu-x86_64-static .
# 下面的命令怎么看：sudo chroot <dir> <cmd...>
# 制作 rootfs 时常用的命令：sudo chroot <rootfs_dir> ./usr/bin/bash 进入根文件系统用 apt 安装软件包
sudo chroot . ./qemu-x86_64-static -g 1234 ./hello

接着使用 gdb 调试 hello：

gdb hello
(gdb) target remote :1234
(gdb) b main
(gdb) r

1.3 调试 arm 版本的 hello

编译 hello.c 为 arm 版本

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

使用 chroot+qemu-arm-static 调试 hello，其中 gdbserver 的端口是 1234；

cp /usr/bin/qemu-arm-static .
# 下面的命令怎么看：sudo chroot <dir> <cmd...>
sudo chroot . ./qemu-arm-static -g 1234 ./hello

接着使用 arm-linux-gnueabi-gdb 调试 hello：

arm-linux-gnueabi-gdb hello
(gdb) target remote :1234
(gdb) b main
(gdb) r

学习使用 QEMU 运行 arm

Windows 版本

下载 QEMU

查看支持仿真的信息

仿真 mcimx6ul-evk

运行 mcimx6ul-evk（空程序）

Linux 版本

下载 QEMU 源码

编译 QEMU

简单验证

运行 versatilepb

1.1 编写一个裸机程序

1.2 编译上面的程序

1.3 使用 qemu 运行上面的程序

运行 vexpress-a9

介绍

1. 1 下载 uboot2017.11-rc4

1.2 编译 uboot

1.3 运行 u-boot

2.1 下载 linux-5.7.7

2.2 编译 linux

3.1 下载 buildroot-2020.05

3.2 构建 rootfs

4. 运行 kernel + 文件系统

5. 运行 kernel + ramfs

chroot+qemu-user-static 仿真各平台程序

安装 qemu-user-static

1.1 创建 hello.c 文件

1.2 调试 x86_64 版本的 hello

1.3 调试 arm 版本的 hello

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