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利用 qemu 模拟嵌入式系统制作全过程

2019-07-12 16:39发布

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这篇文章，将介绍如何用qemu来搭建一个基于ARM的嵌入式linux系统。通过该文章，你可以学习到如何配置kernel，如何交叉编译kernel，如何配置busybox并编译，如何制作initramfs，如何制作根文件系统，如何定制自己的uboot，如何通过uboot向kernel传递参数等。开始干活！

1 环境搭建

在实现我们的目标之前，我们需要搭建自己的工作环境。在这里，假设你的主机上已经有 gcc 本地编译环境，并运行 Ubuntu 12.10 。但是这并不影响在其他的 linux 平台上进行，只要修改一下对应的命令就可以了。首先，我们需要下载一个 ARM 交叉工具链。你可以在网上下载源码自己编译，也可以下载已经编译好的工具链。在工具链中有基本的 ARM 编译工具，比如： gcc, gdb, addr2line, nm, objcopy, objdump 等。可能你会问，这些工具本机不是已经有了么？如果不出意外，我想你的主机应该是 x86 架构的。不同的架构，有不同的指令集，你不能拿一个 x86 的执行文件放到一个 ARM 机器上执行。所以我们需要一个能够在 x86 架构上生成 ARM 可执行程序的 GCC 编译器。有很多预先编译好的 ARM 工具链，这里使用的是 CodeSourcery 。更多关于 toolchain 的信息可以在 elinux.org 找到。下载下来后，直接解压，放到某个目录，然后配置一下 PATH 环境变量，这里是这样配置的：
  1. export PATH=~/arm-2013.05/bin:$PATH
配置完 ARM 交叉工具链后，我们需要下载一些源码，并安装一些软件。 命令如下：
  1. # install qemu
  2. sudo apt-get install qemu qemu-kvm qemu-kvm-extras qemu-user qemu-system
  3. # install mkimage tool
  4. sudo apt-get install uboot-mkimage
  5. # install git
  6. sudo apt-get install git
  7. # prepare related directory
  8. mkdir -pv ~/armsource/{kernel,uboot,ramfs,busybox}
  9. # download latest kernel stable code to kernel dir
  10. git clone http://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git ~/armsource/kernel
  11. # download latest u-boot code to uboot dir
  12. git clone git://git.denx.de/u-boot.git ~/armsource/uboot
  13. # download latest busybox code to busybox dir
  14. git clone git://busybox.net/busybox.git ~/armsource/busybox

2 配置 kernel

环境搭建完后，我们就正式进入主题了。现在我们需要配置 kernel 源码，编译，并用 qemu 运行我们自己编译的 kernel 。这样我们就能够对我们的 kernel 进行测试，并做出对应的修改。进入 kernel 源码目录，我们需要找最新的 kernel 稳定版本。在写这篇文章的时候，最新的稳定版本是 3.10.10 。我们可以通过 git 切换到 3.10.10 。由于我们编译的内核需要运行在 ARM 上，所以我们应该到 arch/arm/configs 下找到对应我们设备的 kernel 配置文件。但是我们没有实际意义上的设备，而是用 qemu 模拟的设备，所以我们应该选择 qemu 能够模拟的设备的配置文件。这里我们选择常用的 versatile_defconfig 。 对应的命令如下：
  1. cd ~/armsource/kernel
  2. # checkout a tag and create a branch
  3. git checkout v3.10.10 -b linux-3.10.10
  4. # create .config file
  5. make versatile_defconfig ARCH=arm
配置完了，我们就可以编译了。编译的时候，我们可以用多个线程来加速编译，具体用多少个就要看你主机的配置了。这里我们用 12 个线程编译，命令如下：
  1. make -j12 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
注意，如果交叉编译环境没有配置好，这个地方会提示找不到对应的 gcc 编译器。这里 -j12 是指定编译线程为 12 个， ARCH 是指定目标架构为 arm ，所用的交叉编译器 arm-none-linux-gnueabi- 。OK ， kernel 已经编译好了，那么我们需要用 qemu 把它跑起来。关于 qemu 的具体使用，请看 qemu 的官方文档 ，这里直接给出命令：
  1. qemu-system-arm -M versatilepb -kernel arch/arm/boot/zImage -nographic
这里 -M 是指定模拟的具体设备型号， versatile 系列的 pb 版本， -kernel 指定的是对应的内核， -nographic 是把 qemu 输出直接导向到当前终端。好，命令成功执行了。但是，好像没有任何有效输出。我们通过 C-a x 来退出 qemu 。编译的 kernel 好像不怎么好使，配置文件肯定有问题。打开 .config 配置文件，发现传递给 kernel 的参数没有指定 console ，难怪没有输出。我们定位到 CMDLINE ，并加入 console 参数：
  1. CONFIG_CMDLINE="console=ttyAMA0 root=/dev/ram0"
保存 .config ，重新编译 kernel ，并用 qemu 加载。现在终于有输出了。如果不出意外， kernel 应该会停在找不到根文件系统，并跳出一个 panic 。为什么会找不到根文件系统？因为我们压根就没有给它传递过，当然找不到。那现在是不是应该制作我们自己的根文件系统了。先别急，为了让后面的路好走一点，我们这里还需对内核进行一些配置。首先，我们需要用 ARM EABI 去编译 kernel ，这样我们才能让 kernel 运行我们交叉编译的用户态程序，因为我们所有的程序都是用 gnueabi 的编译器编译的。具体可以看 wikipedia 相关页面 4 ，你也可以简单的理解为嵌入式的 ABI 。其次，我们需要把对 kernel module 的支持去掉，这样可以把相关的驱动都编译到一个文件里，方便我们之后的加载。当然，你可以使能 kernel 的 debug 选项，这样就可以调试内核了，并打印很多调试信息。这里就不再说了，如果感兴趣，可以看我之前写的关于 kernel 调试的文章 5 。总结起来，这一次我们对 .config 做了如下修改：
  1. # CONFIG_MODULES is not set
  2. CONFIG_AEABI=y
  3. CONFIG_OABI_COMPAT=y
  4. CONFIG_PRINTK_TIME=y
  5. CONFIG_EARLY_PRINTK=y
  6. CONFIG_CMDLINE="earlyprintk console=ttyAMA0 root=/dev/ram0"

3 通过 busybox 制作 initramfs 镜像

如果你注意到了之前传递给 kernel 的参数，你会发现有一个 root=/dev/ram0 的参数。没错，这就是给 kernel 指定的根文件系统， kernel 检查到这个参数的时候，会到指定的地方加载根文件系统，并执行其中的 init 程序。这样就不会出现刚才那种情况，找不到根文件系统了。我们的目标就是让 kernel 挂载我们的 ramfs 根文件系统，并且在执行 init 程序的时候，调用 busybox 中的一个 shell ，这样我们就有一个可用的 shell 来和系统进行交互了。整个 ramfs 中的核心就是一个 busybox 可执行文件。 busybox 就像是一把瑞士军刀，可以把很多 linux 下的命令 ( 比如： cp, rm, whoami 等 ) 全部集成到一个可执行文件。这为制作嵌入式根文件系统提供了很大的便利，开发者不用单独编译每一个要支持的命令，还不用考虑库的依赖关系。基本上每一个制作嵌入式系统的开发者的首选就是 busybox 。busybox 也是采用 Kconfig 来管理配置选项，所以配置和编译 busybox 和 kernel 没有多大区别。 busybox 很灵活，你可以自由取舍你想要支持的命令，并且还可以添加你自己写的程序。在编译 busybox 的时候，为了简单省事，我们这里采用静态编译，这样就不用为 busybox 准备其他 libc ， ld 等依赖库了。具体命令如下：
  1. cd ~/armsource/busybox
  2. # using stable version 1.21
  3. git checkout origin/1_21_stable -b busybox-1.21
  4. # using default configure
  5. make defconfig ARCH=arm
  6. # compile busybox in static
  7. make menuconfig
  8. make -j12 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
编译完后，我们就得到一个 busybox 静态链接的文件。接下来，我们需要一个 init 程序。这个程序将是 kernel 执行的第一个用户态的程序，我们需要它来产生一个可交互的 shell 。在桌面级别的 linux 发行版本，使用的 init 程序一般是 System V init( 传统的 init) ， upstart(ubuntu) ， systemd(fedora) 等。 busybox 也带有一个 init 程序，但是我们想自己写一个。既然自己写，那有两种实现方式，用 C 和 libc 实现，或者写一个 shell 脚本。为了简单，这里选择后者，具体脚本如下：
  1. #!/bin/sh
  2. echo
  3. echo "###########################################################"