qemu搭建arm虚拟嵌入式linux开发环境

1.前言1.安装qemu与arm交叉编译工具2.Linux内核与设备树编译3.busybox根文件系统制作4.使用u-boot加载Linux内核5.搭建网络开发环境6.挂载NFS网络文件系统

1.前言

对于很多新手来说，上手嵌入式Linux开发是有一定的难度的——往往是各种名词听了一大堆，真正去操作的时候，对着开发板一脸茫然，不知从何下手。其实作为初学者，我们完全可以通过虚拟机来掌握嵌入式Linux的开发框架和基本流程，从而避免硬件上的一些坑。等到我们对整个开发过程比较了解之后，再去上手开发板就会事半功倍。

首先，我们需要了解一些基本概念：

arm交叉编译器：在主机上编译能够在arm开发板上运行的代码。

linux内核：linux运行的核心代码。

linux内核模块：动态可加载内核模块，执行时依赖于内核，可以看做是内核的一个拓展，包含各种驱动程序（驱动开发就主要是这一块）。

linux设备树：与硬件相关，用来描述芯片平台及板级差异的。

根文件系统：内核启动时挂载的第一个文件系统，用来访问各种目录和文件，与内核互相独立。

bootloader：开发板启动时的引导程序，一般使用u-boot来制作。

所以，为了在arm开发板上成功运行Linux系统，我们有如下三个方面的任务：

制作bootloader；编译linux内核、linux内核模块、linux设备树；制作根文件系统。

下面，我们使用qemu虚拟机来上手嵌入式linux的开发。

1.安装qemu与arm交叉编译工具

在命令行输入以下内容安装ARM交叉编译工具：

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

安装qemu：

sudo apt-get install qemu

若需要安装较新版本的qemu，可以自行下载源码手动编译安装）

使用qemu-system-命令可以查看qemu支持的CPU架构。

使用qemu-system-arm --version命令可以查看qemu的版本。

使用qemu-system-arm -M help命令可以查看支持的开发板类别。

2.Linux内核与设备树编译

下载Linux内核：/

选择长期维护的4.4版本 ，点击tarball进行下载：

将下载下来的Linux内核拷贝到home目录，使用tar xvf linux-4.4.232.tar.xz进行解压缩。

解压好后输入cd linux-4.4.232/进入linux内核目录下

修改Makefile：vim Makefile

搜索交叉编译关键字，在vim编辑器中输入：/CROSS_COMPILE，然后回车

向下移动光标，找到关键字ARCH和CROSS_COMPILE，按i键进入插入文本模式，将其修改为如下内容：

按Esc键切换为一般模式，输入:wq保存并退出。

这里我们选择vexpress系列作为我们虚拟开发板，在linux内核目录下，输入make vexpress_defconfig对开发板进行配置，编译后生成.config文件：

配置好后，编译内核，生成zImage镜像文件：make zImage -j6（多线程编译）

编译内核模块：make modules -j4

编译设备树，获得dtb文件：make dtbs

在linux内核目录下，使用qemu运行内核：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel arch/arm/boot/zImage -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0"，该命令指定了开发板类别、内存大小、内核zImage文件、dtb文件、无图形界面、串口。

可以看到内核开始运行起来：

但是卡在了挂载根文件系统处，别急，接着往下看。

3.busybox根文件系统制作

使用ps命令查看qemu进程：ps -a

使用kill命令结束qemu进程：kill 25906

接下来，使用busybox制作根文件系统。

下载源码：/downloads/，下载最新版本即可。

解压缩：tar xvf busybox-1.32.0.tar.bz2

进入busybox源码目录：cd busybox-1.32.0/

修改Makefile：vim Makefile

在vim编辑器中输入/CROSS_COMPILE查找关键字CROSS_COMPILE。

向下移动光标，找到关键字所在处，按i键切换到插入模式，并将值修改为arm-linux-gnueabi-：

按Esc退出插入模式，输入/ARCH查找关键字ARCH。

向下移动光标，找到关键字，按i切换到插入模式，并将值修改为arm：

按Esc键，输入:wq保存退出。

接着，输入命令make defconfig回车等待配置完毕。

也可以使用图形化配置make menuconfig，按回车然后进入Settings选项，找到Build Options，点y键将选项Build static binary（编译成静态）选中，然后退出：

回到命令行，直接编译：make -j4

然后执行make install，生成一个**_install文件夹。

准备好后，下一步开始制作根文件系统。

输入cd回到home目录，新建目录mkdir rootfs，进入该目录cd rootfs/，将刚才生成的_install**目录里的所有文件拷贝到该目录下：

cp -r /home/zvcv/Downloads/busybox-1.32.0/_install/* ./

新建目录mkdir lib，将arm交叉编译器的库复制过来：

cp -r /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* lib/

在rootfs目录下新建目录mkdir dev/，进入该目录cd dev/，创建节点sudo mknod -m 666 tty1 c 4 1（这里创建了一个串口字符设备，主设备号为4，从设备号为1）。

重复创建多个串口设备，注意分配好从设备号：

创建一个控制台节点：mknod -m 666 console c 5 1

创建一个空节点：mknod -m 666 null c 1 3

创建好的字符设备用ls查看：

回到home目录，输入命令dd if=/dev/zero of=rootfs.ext3 bs=1M count=32生成虚拟SD卡系统镜像，可以得到一个rootfs.ext3文件。

格式化该镜像：mkfs.ext3 rootfs.ext3

挂载该镜像到本地：mount -t ext3 rootfs.ext3 /mnt -o loop

将之前准备的rootfs目录下的所有文件都拷贝到该镜像挂载点：cp -r /home/zvcv/rootfs/* /mnt/

卸载：umount /mnt/

进入linux源码目录：cd linux/

使用qemu启动内核：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel arch/arm/boot/zImage -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd /home/zvcv/rootfs.ext3，这里比之前多指定了一个sd镜像。

点击回车，进入命令行，linux启动完毕。

若要图形化启动，使用命令：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel arch/arm/boot/zImage -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=tty0" -sd rootfs.ext3

4.使用u-boot加载Linux内核

下载源码：u-boot下载，选择合适的版本即可。

（较新版本的u-boot需要更高版本的gcc来编译，为了方便起见，可以选用较早版本的u-boot）

下载后解压缩：tar xvf u-boot-.07.tar.bz2

切换到目录：cd u-boot-.07

编辑Makefile文件：vim Makefile

查找关键字：/CROSS_COMPILE

向下翻，找到CROSS_COMPILE，按i键切换模式，修改为如下内容：

按Esc键退出插入模式，输入:wq保存并退出。

命令行输入vim config.mk

查找关键字：/ARCH

按i键切换模式，修改关键字的值：

按Esc键退出插入模式，输入:wq保存并退出。

命令行输入命令进行配置：make vexpress_ca9x4_defconfig

配置好后，编译：make -j4

若make时出现下图中的问题，可能是交叉编译gcc的版本太低，下载新版本点击下载。

先移除旧版：sudo apt-get remove gcc-arm-linux-gnueabi

解压：tar -vxf gcc-linaro-7.2.1-.11-x86_64_arm-linux-gnueabi.tar.xz

拷贝：sudo cp -r ./gcc-linaro-7.2.1-.11-x86_64_arm-linux-gnueabi /opt/

编辑环境变量：sudo vim /etc/bash.bashrc，文件末尾添加如下内容：

PATH="$PATH:/opt/gcc-linaro-7.2.1-.11-x86_64_arm-linux-gnueabi/bin"

使路径生效：source /etc/bash.bashrc

使用arm-linux-gnueabi-gcc -v查看编译器版本

若make时出现如下错误：

则编辑环境变量：vim ~/.bashrc

按G跳到文件结尾，按i键输入，添加如下内容：

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

更新环镜变量：source ~/.bashrc

然后再次执行即可：

make vexpress_ca9x4_defconfigmake -j4

若make时又出现如下错误：

则需要安装device-tree-compiler：sudo apt-get install device-tree-compiler

make完成后，启动u-boot：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -nographic -kernel u-boot（注意：按下enter键后，会出现一个2s倒计时，询问你是否停止自动启动，直接回车就可以跳过启动过程中各种外设的加载）

输入命令测试：help，可以查看支持的命令。

运行成功后，删除该qemu进程：ps -a查找PID号，kill命令删除

5.搭建网络开发环境

qemu通过tftp工具下载内核镜像。

接下来配置主机和qemu之间的网络连接。

安装工具包：sudo apt-get install uml-utilities bridge-utils

查看主机网口，命令行输入：ifconfig，记下网口名和IP地址

然后，修改网络接口文件：vim /etc/network/interfaces

添加虚拟网口，配置为桥接模式，添加信息如下：

auto ens33auto br0iface br0 inet dhcpbridge_ports ens33

保存退出，使用命令重启网络：service networking restart

若失败，则重启Ubuntu：reboot

使用ifconfig命令查看生成的虚拟网口br0：

检查无误后，进入linux内核目录：cd linux-4.4.232/

将内核编译为uImage模式：make LOADADDR=0x60003000 uImage -j4

查看生成的镜像文件：ls arch/arm/boot/：

可以看到多了一个uImage。

在主机上安装TFTP工具：sudo apt-get install tftp-hpa tftpd-hpa xinetd

修改文件权限：chmod 777 /etc/default/tftpd-hpa

再修改配置文件：vim /etc/default/tftpd-hpa，如下图所示：

在主目录创建tftp文件夹：mkdir /home/zvcv/tftpboot，一定要和上面的一致，不然会出错。

修改权限：chmod 777 tftpboot

重启tftp服务：

sudo /etc/init.d/tftpd-hpa restart

把之前生成的的uImage和dtb文件拷贝到刚创建的目录下：

cp -p ./arch/arm/boot/uImage /home/zvcv/tftpboot/cp -p ./arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb /home/zvcv/tftpboot/

自动引导设置

进入u-boot-.05目录：cd u-boot-.05/

修改配置文件：vim include/configs/vexpress_common.h

查找关键字：/BOOTCOMMAND

注释宏定义CONFIG_BOOTCOMMAND，并添加如下内容（190~197行）：

其中，CONFIG_SERVERIP地址根据你主机ifconfig的结果来设置，比如我的是192.168.155.128。

CONFIG_IPADDR与CONFIG_SERVERIP设置为同一网段（不冲突就行），如192.168.155.129。

然后，保存退出即可。

如果用ifconfig命令查看ens33网口时，发现没有显示ip地址，可以通过命令ifconfig ens33 192.168.155.128来手动配置ip地址。同样，也可以用ifconfig br0 192.168.155.129来设置br0网口ip地址。

用ping命令测试是否配置成功：

ping 192.168.155.128ping 192.168.155.129

能够ping通则说明配置成功：

可以按ctrl+c来停止ping的运行。

接着，在u-boot-.05目录下重新编译生成u-boot：

make -j4

拷贝u-boot文件到创建的tftpboot目录下：

cp -p ./u-boot /home/zvcv/tftpboot/

tftpboot目录包含的文件如下图所示：

拷贝完成后，进入刚才创建的目录：cd /home/zvcv/tftpboot

启动u-boot引导uImage：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -kernel u-boot -nographic -m 512M -net nic,vlan=0 -net tap,vlan=0,ifname=tap0 -sd /home/zvcv/rootfs.ext3，其中rootfs.ext3是前面制作的文件系统。

正常启动如下图所示：

如果启动失败，可以reboot重启一下主机，再执行上述命令。

为了方便起见，可以把上述命令放进一个脚本文件。

创建并编辑文件：vim boot-script.sh，添加内容如下图所示：

保存退出后，就可以通过输入./boot-script直接调用该启动命令了。

启动完后，可以输入命令进行测试：

可以看到，u-boot引导的linux内核能正常工作了。

6.挂载NFS网络文件系统

安装NFS服务：sudo apt-get install nfs-kernel-server

配置NFS挂载目录：vim /etc/exports，添加下面一行内容：

其中rootfs是前面小节创建的用于制作跟文件系统的目录。

开启NFS服务：

/etc/init.d/rpcbind restart/etc/init.d/nfs-kernel-server restart

切换到内核目录，图形化配置内核，使其支持NFS：make menuconfig

然后重新编译内核：make -j4

切换到u-boot目录，编辑文件：vim include/configs/vexpress_common.h

修改关键字：

#define CONFIG_BOOTCOMMAND \"tftp 0x60003000 uImage;tftp 0x60500000 vexpress-v2p-ca9.dtb; \setenv bootargs 'root=/dev/nfs rw\nfsroot=192.168.232.20:/home/qemu-test/rootfs init=/linuxrc \ip=192.168.232.21\console=ttyAMA0'; \bootm 0x60003000 - 0x60500000;"

qemu启动u-boot：

qemu-system-arm \-M vexpress-a9 \-kernel u-boot \-m 512M \-nographic \-net nic,vlan=0 -net tap,vlan=0,ifname=tap0 \-append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0"\

教程参考来自《嵌入式工程师自我修养》系列视频。

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